中科大/合工大《自然·通訊》：開發出拉伸誘導聚合物自生長新方法，可實現微結構可逆調控

自然界中生物體獨特的微納結構啟發了科學家們對人工合成微結構的探索。然而，現有的微結構制造技術面臨諸多挑戰：傳統的減材或增材制造方法存在工具磨損、模具損傷等問題，且所制結構形態固定，難以滿足可調諧功能的需求；而受自然界動態非平衡系統啟發的化學驅動聚合物自生長方法，雖然取得了重要進展，但其生長速度極慢（平均速度從幾十納米/秒到幾微米/秒），依賴于復雜化學物質和嚴苛反應條件，且所制結構局限于低深寬比（小于0.3），無法實現快速可逆調控。因此，開發一種簡單通用的方法以實現高深寬比自生長微結構的快速可逆調控，一直是該領域的重大挑戰。

近日，中國科學技術大學胡衍雷教授、合肥工業大學吳思竹教授合作，提出了一種名為"拉伸誘導聚合物自生長"（SIPS）的普適性新方法，能夠在多種彈性薄膜上快速可逆地構筑高深寬比微結構。該方法將飛秒激光切割與彈性膜拉伸相結合，在30秒內即可實現結構化和平坦表面之間的可逆轉變，生長速度高達130微米/秒，比化學驅動自生長方法快兩個數量級。所制備的微柱最大深寬比達到1.4，遠高于此前報道的約0.25，為微納制造和自適應表面工程領域提供了全新的解決方案。相關論文以“Stretch-induced reversible self-growth of high aspect ratio microstructures scribed by femtosecond laser”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先詳細闡釋了SIPS方法的機理（圖1）。他們將商用硅膠膜裁剪成對稱十字形并進行雙軸拉伸，利用飛秒激光沿二維圓形路徑燒蝕膜材。激光燒蝕導致材料局部脫離周圍基體，釋放應力并誘發向心收縮，從而形成微柱。通過釋放應力，微柱逐漸消失恢復平坦表面；重新施加應力，微柱又可再次形成。實驗與模擬結果高度吻合，證實了該過程的可逆性。與傳統僅限于熱收縮形狀記憶聚合物的激光誘導聚合物自生長（LIPS）方法相比，SIPS方法不僅實現了結構可逆調控，還適用于聚氨酯、PDMS、介電彈性體和水凝膠等多種彈性材料，且由于非熱加工特性，最小特征尺寸可達15微米。

圖1 | 拉伸誘導聚合物自生長的機理及微結構的可逆調控。 a 在雙軸拉伸的硅膠膜上，拉伸誘導聚合物自生長微結構的示意圖和實驗驗證。 b SIPS過程及其后續可逆調控的示意圖、模擬和實驗驗證。圖中參數λ、H?分別表示拉伸比和激光刻寫深度。

在系統研究直微柱的自生長過程時（圖2），研究人員通過改變激光掃描圈數控制刻蝕深度，觀察了微柱從平坦到反碗狀、再到火山口狀最終形成微柱的四個演化階段。定量分析表明，微柱高度受拉伸比和激光刻蝕深度共同控制，并建立了H? = (λ2-1)(H?-28)的定量關系。通過提取模擬數據獲得的等高線圖與實驗結果高度一致，證實了仿真框架的預測能力，可有效指導結構設計，減少實驗工作量。研究發現，微柱形態僅由預拉伸比和激光刻蝕深度決定，與材料剛度無關。

圖2 | 拉伸誘導直型微柱的自生長。 a 在雙軸拉伸膜上（拉伸比λ=1.67），隨著激光掃描圈數從1增加到80，直型微柱的激光共聚焦圖像。 b 圖a中所示直型微柱對應的橫截面輪廓。 c 微柱高度和直徑隨激光刻寫深度變化的實驗結果。 d 完全釋放膜后，圖a中微結構的激光共聚焦圖像。 e 圖d中所示微結構對應的橫截面輪廓。 f 釋放膜后，微柱高度和直徑隨激光刻寫深度變化的實驗結果。 g 微柱高度隨激光刻寫深度和拉伸比變化的等高線圖。 h 微柱直徑隨激光刻寫深度和拉伸比變化的等高線圖。 i 在五種實驗條件下微柱高度的實驗與模擬結果比較：H?=60μm，λ=1.18；H?=80μm，λ=1.27；H?=100μm，λ=1.34；H?=120μm，λ=1.54；H?=140μm，λ=1.67。 j 在五種實驗條件下微柱直徑的實驗與模擬結果比較。 k 根據模擬結果，不同激光刻寫深度下微柱高度與拉伸比的定量關系。 l 根據模擬結果，不同激光刻寫深度下微柱直徑與拉伸比的定量關系。誤差棒表示三次獨立測量的標準差。

針對微柱的可逆調控性能（圖3），研究團隊對在不同激光刻蝕深度下制備的一排微柱進行了循環形變測試。隨著拉伸比從1.67逐漸減小到1.0，微柱高度從180微米遞減至32微米，相鄰微柱間距也從805微米減小到497微米。在隨后的九次拉伸-釋放循環中，微柱高度在前一次循環后略有增加并達到穩定，而微柱間距始終保持不變，證實了幾何可逆性和機械穩定性。

圖3 | 拉伸誘導自生長直型微柱的可逆調控。 a 微柱隨拉伸比從1.67變化到1的側視光學圖像及相應模擬。 b 在69、85、119和127 μm激光刻寫深度下制備的微柱高度隨拉伸比的變化。 c 對應圖b中四個結構，在十次連續的釋放和重新拉伸循環中微柱高度的循環變化。 d 圖b中微柱間距隨拉伸比的變化。 e 圖b中微柱間距在十次釋放和重新拉伸循環中的變化。誤差棒表示三次獨立測量的標準差。

除直微柱外，研究團隊還開發了非對稱激光刻蝕策略制備彎曲微柱（圖4）。先在圓形路徑刻蝕制備直微柱，再在微柱一側重復刻蝕半圓形路徑引入不對稱應力釋放，使微柱向未掃描一側彎曲。隨著刻蝕深度增加，彎曲角度從90°增大到122°，長度從141微米增加到266微米。在循環拉伸釋放過程中，較小的刻蝕深度表現出更好的恢復性和機械可逆性。

圖4 | 拉伸誘導彎曲微柱的自生長及可逆調控。 a 說明彎曲微柱制備及可逆調控的示意圖和模擬。H?和H?分別表示對應圓形路徑和半圓形路徑的激光刻寫深度。 b 不同H?下制備的彎曲微柱的徑向應力分布模擬。彎曲角度(α)和微柱長度(L)在插圖中定義。 c 圖b所示彎曲微柱左、右根部應力的比較。 d 在1.67拉伸比下，隨著H?增加制備的彎曲微柱的激光共聚焦圖像。 e 圖d中彎曲微柱對應的橫截面輪廓。 f 完全釋放膜后，圖d中微結構的激光共聚焦圖像。 g 圖f中微結構的橫截面輪廓。 h 隨著H?增加，彎曲微柱的模擬高度輪廓。 i 微柱彎曲角度(α)和長度(L)隨H?變化的實驗與模擬結果。 j 隨著H?增加制備的微柱在釋放過程中彎曲角度(β)的變化。 k 隨著H?增加制備的微柱在釋放過程中長度(L)的變化。 l 隨著H?增加制備的微柱在十次釋放和重新拉伸循環中彎曲角度的變化。 m 隨著H?增加制備的微柱在十次釋放和重新拉伸循環中長度的變化。誤差棒表示三次獨立測量的標準差。

基于SIPS方法的優異特性，研究團隊探索了多項應用（圖5）。在觸覺感知方面，他們開發了可調盲文學習平臺。通過調節拉伸比，可同時連續調整盲文點間距和點高度，高深寬比微柱增強了觸覺感知。對特殊教育學校學生的測試表明，該平臺可用于評估學習者熟練程度，未來可幫助初學者從"簡易模式"（大拉伸比下放大的點間距和高度）逐步過渡到標準盲文。在信息加密方面，研究團隊利用四種不同的彎曲方向對應莫爾斯碼的點、劃、雙點、雙劃，將"激光誘導聚合物自生長"這一短語編碼。在拉伸狀態下信息清晰可讀，釋放后微柱縮回僅留激光燒蝕痕跡實現加密，再次拉伸又可解密，展現了可重構編碼平臺的魯棒性和可重復使用性。

圖5 | 可調盲文和信息加密/解密的應用。 a 通過拉伸或釋放彈性膜調節盲文的示意圖。 b 小學生測試具有可調微柱高度和間距的盲文圖案的示意圖。 c 學生之間臨界識別拉伸比的變化，反映了觸覺敏感性和盲文熟練程度的差異。 d 盲文識別難度可通過調整拉伸比來調節。側視光學圖像顯示了相應的微柱間距和高度。 e 在1.67拉伸比下，短語"激光誘導聚合物自生長"被編碼成五排微柱，使用四個不同的彎曲方向。直型微柱用于分隔字符。 f 完全釋放膜后，僅激光燒蝕痕跡可見，使編碼信息暫時不可見。重復釋放和重新拉伸可實現信息加密和解密的可逆轉換。

總而言之，這項研究提出的SIPS方法結合飛秒激光切割和彈性膜拉伸，為快速制造可重構微結構提供了一個普適、高效的平臺。雖然當前工作聚焦于純彈性體薄膜，但前期研究表明，添加分散良好的納米填料可進一步增強抗疲勞性能和長期耐用性，而磁性或光熱納米填料則可能賦予微結構額外的刺激響應或驅動功能。這種材料層面的功能化與SIPS方法可編程自生長的結合，為多功能軟微器件的開發和應用導向的拓展研究開辟了新的途徑。