/t2, μ f2/ μ s。固定紫外臭氧照射时间！\和T 2，则系统失稳形貌仅与无量纲长度ζ和Γ2有关：
[0032] 通过控制ζ与Ζ；的数值可以调控系统的失稳斑图形貌。实验得到的五种表面失稳 斑图截面形貌如图3所示，分别为锯齿形斑图（图3(a));双正弦斑图（图3(b));脊形斑图 (图3(c)) ;Μ形斑图（图3(d));正弦波与弯曲的组合斑图（图3(e))。
[0033] 下面给出本发明包含的周期性膜-基系统失稳斑图的调控和制备的实施例。这 些实施例均基于相同的特征波长标定步骤：首先，将溶剂和基体的质量比为1:10的PDMS 样品预拉伸至20%，利用紫外臭氧清洗机处理10分钟，释放预拉伸，并利用光学显微镜的 激光3D扫描功能测量表面失稳正弦波的轮廓长度，并以此长度作为特征波长，可得 λ c2~37 μ m。取另一个PDMS样品，预拉伸至20%，利用紫外臭氧清洗机处理10分钟后，取 出并放置约20秒（模拟实验过程中取下遮光罩的时间），继续进行紫外臭氧处理10分钟， 释放预拉伸，利用激光3D扫描测量表面正弦波的轮廓长度，并以此作为特征波长λ ^，可得 λ cl~67 μ m。（当上述条件发生改变时，需针对所选用的PDMS材料、处理时间及紫外臭氧 装置根据以上所述的步骤进行重新标定，波长尺度下的调控以及制备的方法均需要根据实 际标定的λ ^和λ。2，按照本发明所述的详细步骤进行）。
[0034] 实施例1在PDMS样品上制作膜-基系统失稳斑图：利用标定的λ el、λ。2和设定 的无量纲长度为ζ =().' =0.8的大小设计遮光罩格栅尺寸；即遮光罩的格栅宽度与间 距均为30 μ m，。将PDMS样品覆盖上遮光罩，预拉伸量为PDMS样品长度的20%，利用紫外 臭氧清洗机处理10分钟；去除遮光罩后继续照射10分钟，释放预拉伸；利用激光3D扫描 得到表面斑图的截面轮廓如图3 (a)所示。膜1的变形主要以刚体转动为主，而膜2连接两 片膜1的首末两端。这种失稳斑图的具有一定的取向性，表面微结构与闪耀光栅（blazed grating)十分接近。因此本发明提供了一种在软材料表面快速制备闪耀光栅的方法。另 一方面，这种表面斑图的取向性可以促进表面液滴/气体/液体的定向运动，在功能表面制 备、表面浸润性、微流器件等领域均有重要的应用前景。
[0035] 实施例2作为本发明的另一项实施例，PDMS材料的配比、处理时间1\和T2、处理 方法以及紫外臭氧清洗装置均与实施例1相同，预拉伸量30%。设计无量纲数为I； =6， I2 =5.4·，即确定遮光罩的宽度和间距分别为400 μ m和200 μ m，。利用激光3D扫描可以得 到表面失稳斑图的截面轮廓，如图3(b)所示。由于膜1和膜2的尺寸均大于对应的临界失 稳特征波长，膜1会发生波长λ 的正弦形失稳，而膜2发生波长λ λ。2的正弦 形失稳，系统表面产生双正弦波的失稳斑图。由于膜1和膜2的交界处会发生应力集中的 现象，故在两种材料的交界处会发生远大于预拉伸值的变形，从而产生折叠（folds)。利用 表面折叠可以包被化学分子并释放可以达到调控功能性表面性质的作用。折叠还可以包裹 细胞，从而达到在细胞培养或干细胞分化的过程中改变细胞的生长空间和生长环境。本发 明提供了一种控制折叠发生位置的方法。对于均匀的硬膜-软基系统，折叠发生的位置是 随机的，且需要对系统施加较大的压缩应变。而通过波长尺度下的调控，可以精确地控制折 叠的发生位置（即膜1和膜2的交界处），并在压缩应变较小的情况下稳定地产生折叠。
[0036] 实施例3 :本实施例PDMS材料的配比、处理时间1\和T2、处理方法以及紫外臭氧清 洗装置均与实施例1相同，预拉伸量约为20 %。设计无量纲长度为Z； = (X75 ?2 = L35，SP 确定遮光罩的宽度和间距分别为50μπι和50μπι，即。表面失稳斑图见图3(c)所示。膜1 发生轻微的弯曲，而膜2发生外凸，形成脊形（ridges)失稳斑图。增加预拉伸量，脊形的长 细比增大，表面积和表面粗糙度均增加。这种脊形微结构的发生位置（即膜2的位置）可 以通过遮光罩精确控制，可以应用于制备长细比或粗糙度要求较高的表面。
[0037] 实施例4 :本实施例，PDMS材料的配比、处理时间1\和T 2、处理方法以及紫外臭氧 清洗装置均与实施例1相同，预拉伸量约为20%。无量纲数为ζ= 0.45，0.27,即确定 遮光罩的宽度和间距分别为30 μπι和10 μπι。本实施例的表面失稳斑图见图3(d)所不。由 于膜2的长度远小于其对应的临界失稳特征波长，无法形成稳定的锯齿形失稳斑图，故膜1 除了发生刚体的转动外还会发生弯曲变形，在后屈曲演化过程中形成M形的微结构。这种 M形的失稳斑图也可以应用在包裹化学分子和细胞。
[0038] 实施例5 :本实施例的PDMS材料的配比、处理时间TjPT2、处理方法以及紫外臭氧 清洗装置均与实施例1相同，预拉伸量约为20%。设计无量纲数为4 = ()..75, 4 =2.7,即 遮光罩的宽度和间距分别为50 μπι和100 μπι。激光3D扫描表面斑图见图3(e)所示。膜1 产生波长约为λ 的正弦形失稳，而膜2发生轻微的弯曲，整个系统表面呈正弦波与弯曲结 合的组合形貌。
[0039] 为了给实际斑图制备提供指导，本发明所述的调控方法通过有限元数值仿真 (finite element simulation)来确定失稳斑图的分布相图，见图4所示。可以按照图4数 据点的取值来设计遮光罩的尺寸，确保发生锯齿形微结构的失稳斑图。相关的数值仿真是 利用商业软件ABAQUS 10. 1实施的。其中，锯齿形形貌主要发生在〇.3<ζ <0.6及〇.4< Z2 <1 的范围内，对应的数据点在图中用空心正方形符号表示。双正弦失稳斑图主要发生在ζ >2 及&>1的范围内，对应的数据点在图中用空心圆形符号表示。当施加预拉伸达到30%及 以上时，将在特定位置出现折叠现象。脊形斑图主要发生在〇.6<ζ<1.5及的范围 内，对应的数据点在图中用空心正三角形符号表示。M形失稳斑图主要发生在0.25<0.5 及0.24<Ζ_: <0.4的范围内，对应的数据点在图中用空心倒三角形符号表示。正弦和弯曲组 合失稳斑图主要发生在〇.6<4<1，5及&>2的范围内，对应的数据点在图中用空心菱形符 号表不。
[0040] 以上已经给出了本发明的多个实施方式，可以理解的是，在不偏离本公开内容精 神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变，这些实施方式也在本发明的保 护范围内。
【主权项】
1. 一种膜-基系统失稳斑图的制备w及波长尺度下的调控方法，其特征在于，失稳斑 图的制备包括首先对PDMS表面施加单轴预拉伸，先采用紫外臭氧照射覆盖格栅形遮光罩 的PDMS表面，再取下遮光罩后采用紫外臭氧照射该PDMS表面，得到由两种硬度和厚度不同 的硬膜周期性交替排布的膜-基系统，最后释放预拉伸，两种硬膜内部产生单轴压缩应力， 得到失稳斑图，通过调控遮光罩的格栅尺寸与系统特征波长的比值得到不同形态的失稳斑 图；所述波长尺度下的调控包括：通过调控遮光罩的格栅宽度和间距调控两种硬膜变化周 期长度与系统特征波长的比值；使该膜-基系统表面得到不同微观形貌的失稳斑图。2. 如权利要求1所述方法其特征在于，所述波长尺度下的调控具体包括：设变化周期 与对应特征波长之比《和写表示失稳斑图形貌的无量纲数，当写> 2去>1时，膜-基系统 表面产生由两种不同的失稳波长入1和A2组成的微结构；当U.6 < < ] .5々1<Z； < 2时， 膜-基系统表面产生一种高长细比（hi曲aspectratio)的脊形（ridge)微结构；而当 化3 </;<0.(，及M< 4 <1时，膜-基系统表面产生一种类似闪耀光栅的取向性微结构；当 0.25 <I； <化5及0.24 <玄:< 0.4化系统表面产生M形微结构；当0.6 <马< 1.5及写> 2化系 统表面产生正弦和弯曲组合的微结构。3. 如权利要求1所述方法其特征在于，具体包括W下步骤： (1) 标定特征波长：将两个PDMS样品施加单轴预拉伸至10%~40%，在紫外臭氧下 照射时间T2使两个PDMS样品表面形成一层硬膜，该硬膜和未发生变化的PDMS基底构成一 个均匀的膜-基系统；释放一个样品的预拉伸并测量该样品表面产生的失稳斑图中单个波 的轮廓长度，即可得到临界失稳波长^。2;将另一个样品在紫外臭氧环境下继续照射时间 Ti，使硬膜的硬度和厚度均增加，测得临界失稳波长A。1;将临界失稳波长A。1和A。2作为 膜-基系统的特征波长； (2) 制作遮光罩：根据膜-基系统的特征失稳波长A。1和A。2值及设定的无量纲数写 和4制作具有微米尺度的格栅形的金属遮光罩，格栅缕空部分的宽度为Li，不缕空部分的 宽度为L2,则与=写*韦1，4 = 4 *疋2;对于单轴预拉伸的情况，格栅的长度L满足L< 20Li W及L<2OL2,遮光罩的整体厚度h满足h<Li和h<L2; (3) 制备失稳斑图：将相同溶剂与基体质量比的PDMS样品预拉伸PDMS样品长度的 10 %~40 %，用制备好的格栅形的金属遮光罩遮盖拉伸后的样品，再将金属遮光罩遮盖后 的样品放置于紫外臭氧环境中；经过时间Ti，在PDMS表面会产生与金属遮光罩的格栅形状 相同的周期性宽度为Li间隔为L2的硬膜；将遮光罩撤去后，继续将样品放置于紫外臭氧环 境中照射时间T2,制备出由两种硬膜周期性交替排布组成的膜-基系统，其中较硬的膜宽度 为Li，厚度为ti;较软的膜宽度为L2,厚度为t2,且满足ti> 12的条件；放松预拉伸，得到失 稳斑图，失稳斑图的形貌由无量纲数1：1和确定。
【专利摘要】本发明涉及一种膜-基系统失稳斑图的制备以及波长尺度下的调控方法，属于微米尺度表面制备技术领域，该方法包括首先对PDMS表面施加单轴预拉伸，先采用紫外臭氧照射覆盖格栅形遮光罩的PDMS表面，再取下遮光罩后采用紫外臭氧照射该PDMS表面，得到由两种硬度和厚度不同的硬膜周期性交替排布的膜-基系统。最后释放预拉伸，两种硬膜内部产生单轴压缩应力，得到失稳斑图，通过调控遮光罩的格栅尺寸与系统特征波长的比值得到不同形态的失稳斑图；通过调控遮光罩的格栅宽度和间距调控两种硬膜变化周期长度与系统特征波长的比值；使该膜-基系统表面得到不同微观形貌的失稳斑图。该方法可以得到锯齿形、脊形、折叠形等具有广泛潜在应用的微纳米表面失稳斑图。
【IPC分类】B81C1/00
【公开号】CN105000532
【申请号】CN201510336887
【发明人】冯西桥, 王嘉文, 曹艳平, 李博
【申请人】清华大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月17日