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軟物質(zhì)褶皺形成機(jī)制新發(fā)現(xiàn):液體浸潤、表面張力與接觸線釘扎效應(yīng)
來源:《物理》 瀏覽 16 次 發(fā)布時(shí)間:2025-07-10
軟物質(zhì)廣泛存在于日常生活中。多數(shù)生物組織由軟性物質(zhì)構(gòu)成,在某個(gè)應(yīng)力下容易發(fā)生變形。軟物質(zhì)的自由表面在壓應(yīng)力下會(huì)發(fā)生大變形,導(dǎo)致形貌發(fā)生復(fù)雜變化,產(chǎn)生如同“手風(fēng)琴風(fēng)箱”般的形變。當(dāng)壓應(yīng)變足夠大時(shí),原自由表面會(huì)彎折成為褶皺,形成折疊的溝谷,最終成為互相接觸的表面。壓縮力在生物組織中造成的褶皺非常常見,如同大腦的腦溝,或者彎曲手肘時(shí)的表皮折疊。這類褶皺通常在軟物質(zhì)表面保持一種固定的皺痕。
先前理論的局限
盡管這種特征隨處可見,關(guān)鍵的科學(xué)問題仍未完全闡明:為什么應(yīng)力移開后,皺痕仍然保留?為什么相同的材料表面受到均勻壓縮后,褶皺總會(huì)在某些特定位置產(chǎn)生?
先前通常用紙張的折疊或揉搓機(jī)制來解釋軟物質(zhì)受力后形成永久褶皺的機(jī)理。持續(xù)的弱化或破壞被認(rèn)為改變了材料的局部力學(xué)性能,導(dǎo)致在某些位置容易形成皺痕。在折疊的兩個(gè)面之間的黏結(jié)力也被認(rèn)為可能導(dǎo)致不同表面黏和在一起,從而即使應(yīng)力移去,構(gòu)型仍保持原樣。然而,無論是塑性變形,還是黏結(jié)力理論,都難以解釋褶皺形成對(duì)液體—固體表面張力的極端敏感性。
van Limbeek團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)與新發(fā)現(xiàn)
德國馬普所Michiel van Limbeek團(tuán)隊(duì)的研究揭示了褶皺永久化的新機(jī)制:反復(fù)周期形變的軟物質(zhì)最終形成皺痕的原因是液體浸潤過程中折疊與解折疊的不對(duì)稱性。
其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:將一層軟聚合物膠質(zhì)鋪在預(yù)拉伸的橡膠片上,并浸沒在具有不同表面張力的液體中。當(dāng)橡膠片上的應(yīng)力逐漸釋放時(shí),它們均勻地?cái)D壓膠質(zhì)層(每次壓縮步長1μm)。最終,膠質(zhì)層表面開始彎曲,直到彎曲的兩側(cè)相互接觸并形成一個(gè)褶皺。逐漸減小壓力(即松弛過程)后,觀察到浸沒在不同液體中的膠質(zhì)層表面:有些恢復(fù)平整,有些則保留了褶皺。
深入觀測與滯后現(xiàn)象
團(tuán)隊(duì)使用共聚焦顯微鏡觀察膠質(zhì)表面形貌,直接測量膠質(zhì)在褶皺上的延展程度和角度。通過在膠質(zhì)表面附著熒光標(biāo)記的納米顆粒,能夠連續(xù)監(jiān)測褶皺兩側(cè)相互接觸和解離的過程。
實(shí)驗(yàn)清晰地顯示了褶皺的形成(壓縮)與消失(松弛)之間存在滯后現(xiàn)象。在給定的壓力下,褶皺的深度取決于膠質(zhì)是處于循環(huán)中的壓縮還是恢復(fù)過程。如果整個(gè)體系的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)單純由褶皺兩側(cè)的黏結(jié)力控制,結(jié)果或許可以預(yù)期。然而,僅黏結(jié)力理論無法解釋當(dāng)膠質(zhì)浸沒在不同液體中時(shí),加壓和減壓全過程表面形貌的顯著差異。
核心機(jī)制:Y/T轉(zhuǎn)變與表面張力作用
觀測揭示了關(guān)鍵形狀差異:
?在壓應(yīng)力狀態(tài)下:褶皺的截面呈現(xiàn)字母Y的形狀。Y的柄部代表膠質(zhì)的自主接觸區(qū)域,Y的兩臂則表示折疊的表面。
?當(dāng)壓力釋放時(shí):褶皺的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃谱帜窽,表面的彎曲迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫o貼自接觸區(qū)域的形態(tài)。
這種Y形到T形的轉(zhuǎn)變表明,當(dāng)表面張力增加時(shí),褶皺解折疊(消失)過程所需的能量比形成褶皺時(shí)要多。這一能量差,除了可能用于克服折疊面之間的黏結(jié)力外,更重要的是需要克服液體在軟固體表面的浸潤相關(guān)的能量壁壘(表面張力作用)。
類比與統(tǒng)一機(jī)制:接觸線釘扎
在這一系統(tǒng)中,表面張力所扮演的角色與常見的液-固界面中的接觸線釘扎(contact-line pinning)機(jī)制類似。當(dāng)液-氣界面與固體表面接觸時(shí)(例如桌面上的液滴),在固-液-氣三相連接處形成所謂的“接觸線”。桌面與液-氣界面切線之間的夾角(接觸角)表征表面張力平衡狀態(tài)。如果未達(dá)平衡,應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)接觸線移動(dòng)。然而,由于表面的非均勻性,接觸線的運(yùn)動(dòng)往往不是平滑的,它會(huì)被表面局部的不規(guī)則性所阻礙或“釘扎”,導(dǎo)致斷續(xù)的移動(dòng)(滯后)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種接觸線的釘扎機(jī)制正是導(dǎo)致軟物質(zhì)表面褶皺形成和保留的關(guān)鍵原因。
意義與應(yīng)用
作為表現(xiàn)出強(qiáng)烈非線性特征與大變形行為的體系,對(duì)褶皺及界面折疊的研究已成為有力的工具。它有助于解釋一些日常現(xiàn)象,例如:為什么干燥的水果會(huì)起皺?
這一關(guān)于表面褶皺形成的新機(jī)制(液體浸潤接觸線釘扎機(jī)制)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值:
1.可折疊軟機(jī)器人裝置:理解和控制褶皺模式有助于設(shè)計(jì)和制造具有預(yù)定變形能力的柔性機(jī)器人。
2.表面工程與液體輸送:可以預(yù)期通過操縱軟物質(zhì)的表面張力來“編程”褶皺的模式,從而精確控制液體在這些結(jié)構(gòu)表面上的定向傳輸(如微流控)。
3.形貌引導(dǎo)與控制:可以利用該機(jī)制控制軟物質(zhì)表面的形貌演變,將表面的隆起或凹陷引導(dǎo)到特定的、所需的位置和形狀。
總結(jié)
Van Limbeek團(tuán)隊(duì)的研究揭示:表面張力通過液體在(初始)不均勻表面的浸潤和接觸線釘扎機(jī)制,是軟物質(zhì)壓縮后形成并保留褶皺的核心原因。這一機(jī)制不僅適用于聚合物凝膠的實(shí)驗(yàn)?zāi)P停瑯涌梢越忉屗砥ぁ⑵つw、甚至大腦等生物組織中褶皺的形成。