把“褶皱”变“宝藏”——记2025年度上海市自然科学一等奖高分子材料表面动态褶皱图案

　　近年来，国防安全、空天航行与深海探索等领域的发展，对材料表面功能提出了日益严苛的要求，传统单一、静态表面功能材料已难以胜任复杂多变的极端服役环境。针对这一挑战，上海交通大学化学化工学院教授姜学松团队受自然界常见的褶皱启发，开发出一种普适性的动态褶皱图案构建方法，实现了表面褶皱图案在二维尺度上的严格有序排布与精确可控调节，为超低阻航行器表面、柔性电子皮肤等提供了材料支撑。近日，该成果“高分子材料表面动态褶皱图案”荣获2025年度上海市自然科学一等奖。

　　利用力学失稳构建智能表面

　　高分子表面微纳米图案的动态调控涉及分子链在微观尺度上的运动，由于受到基底材料的束缚，原位动态调节微纳米图案的形貌极具挑战。即使利用光刻或压印的方法在一些形状记忆和刺激响应性特性的高分子材料表面制备微纳米图案，其形貌的原位动态调节范围依然很小，难以得到精准调控的微纳米图案。针对这一难题，科研团队巧妙地将可逆交联聚合物网络和表面褶皱图案相结合，提出了一种在高分子材料表面构建动态微纳米图案的普适性策略。

　　褶皱是自然界最常见的一种构建表面图案的手段，如生物体皮肤表面，由表面力学失稳而产生的，所以通过褶皱在材料表面构建微纳米图案的方法具有简单、快捷和低成本的等特点。

　　受此启发，姜学松团队将动态化学引入到褶皱体系的高分子交联网络中，通过动态交联来控制表层聚合物的模量，从而实现对褶皱的动态调控。在交联后，体系发生应力从而产生褶皱图案；而解交联后，褶皱会消失。这种策略通过化学手段从分子层面实现了褶皱的调控，具有简单、原位、高效、可以多次可逆地重复的特点。同时，该方法具有普适性。动态交联层可以是各种含有动态共价键、氢键等交联点的环氧、聚丙烯酸酯等聚合物网络，基底可以选择各种聚氨酯、乙丙橡胶等高分子弹性体。该方法可构建不同形貌、响应不同外界刺激、选择不同材料体系的动态褶皱图案。

　　光时空分辨让褶皱精准排列

　　姜学松介绍，褶皱图案的自发、无规产生的特性极大限制了褶皱作为图案化技术的使用和发展。如何控制褶皱的表面力学不稳定性，以实现具有可调特征尺寸的有序褶皱具有重大的理论和应用价值，也是褶皱领域的重要挑战。研究团队率先提出基于光化学梯度和边界约束的褶皱图案二维有序化新机制，首次研发了在二维方向上严格有序的表面褶皱图案，解决了现阶段无法制备二维有序褶皱图案的瓶颈。

　　其主要原理是利用了光的时空分辨特性。当光交联反应发生时，通过控制聚合物薄膜深度方向的光控梯度交联反应来调控高分子薄膜的内应力，聚合物单层膜上表面交联程度高而底部交联程度低，这种膜深度方向的梯度交联在薄膜中形成梯度层。团队通过控制光化学反应在不同方向的应力生成与释放，实现对褶皱图案的二维有序控制，得到精确复制光掩膜板图案的褶皱。利用该方法团队实现了褶皱在二维方向的有序控制和复杂图案的免光刻直写，突破了目前无法在多维方向上控制应力有序分布的难题。这种光直写的有序自褶皱图案制备方法十分简单，与现有的光刻掩模技术具有很好的兼容性，在一些特定图案化领域有望成为现有光刻技术的补充。

　　动态褶皱体系应用广泛

　　微纳米图案对光具有散射和衍射等管理功能，研究团队成功制备出近红外光响应的动态表面图案，并通过红外响应的动态图案实现了光—光调控，开发出原位动态光栅，构建了首例红外原位驱动的动态衍射光栅，实现了红外光对可见光衍射的动态调控。这种动态表面褶皱图案还可以对光的反射方向进行动态调控，从而实时调节物体的被观察角度，使物体具有一定的伪装和隐身效果。

　　此外，褶皱图案具有与人类指纹高度相似的脊终止和脊分叉的多级识别信息点，而且更易于制备和读取。团队利用响应性动态褶皱图案构建了动态3D人工指纹防伪标签，提出新型不可复制的防伪策略。这种动态人工指纹很难被复制，解决了静态褶皱图案或指纹容易被复制导致防伪失败的难题，实现了指纹和药品、食品更高级别的防伪。

　　姜学松介绍，利用褶皱图案的动态可调性，团队还开发了自适应耐磨减阻涂层等智能材料，研究成果将为新一代智能隐身蒙皮、超低阻航行器表面及柔性电子皮肤提供关键材料技术储备，推动仿生智能材料从实验室基础研究向工程应用的跨越。