中科大/合工大《自然·通讯》：开发出拉伸诱导聚合物自生长新方法，可实现微结构可逆调控

自然界中生物体独特的微纳结构启发了科学家们对人工合成微结构的探索。然而，现有的微结构制造技术面临诸多挑战：传统的减材或增材制造方法存在工具磨损、模具损伤等问题，且所制结构形态固定，难以满足可调谐功能的需求；而受自然界动态非平衡系统启发的化学驱动聚合物自生长方法，虽然取得了重要进展，但其生长速度极慢（平均速度从几十纳米/秒到几微米/秒），依赖于复杂化学物质和严苛反应条件，且所制结构局限于低深宽比（小于0.3），无法实现快速可逆调控。因此，开发一种简单通用的方法以实现高深宽比自生长微结构的快速可逆调控，一直是该领域的重大挑战。

近日，中国科学技术大学胡衍雷教授、合肥工业大学吴思竹教授合作，提出了一种名为"拉伸诱导聚合物自生长"（SIPS）的普适性新方法，能够在多种弹性薄膜上快速可逆地构筑高深宽比微结构。该方法将飞秒激光切割与弹性膜拉伸相结合，在30秒内即可实现结构化和平坦表面之间的可逆转变，生长速度高达130微米/秒，比化学驱动自生长方法快两个数量级。所制备的微柱最大深宽比达到1.4，远高于此前报道的约0.25，为微纳制造和自适应表面工程领域提供了全新的解决方案。相关论文以“Stretch-induced reversible self-growth of high aspect ratio microstructures scribed by femtosecond laser”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先详细阐释了SIPS方法的机理（图1）。他们将商用硅胶膜裁剪成对称十字形并进行双轴拉伸，利用飞秒激光沿二维圆形路径烧蚀膜材。激光烧蚀导致材料局部脱离周围基体，释放应力并诱发向心收缩，从而形成微柱。通过释放应力，微柱逐渐消失恢复平坦表面；重新施加应力，微柱又可再次形成。实验与模拟结果高度吻合，证实了该过程的可逆性。与传统仅限于热收缩形状记忆聚合物的激光诱导聚合物自生长（LIPS）方法相比，SIPS方法不仅实现了结构可逆调控，还适用于聚氨酯、PDMS、介电弹性体和水凝胶等多种弹性材料，且由于非热加工特性，最小特征尺寸可达15微米。

图1 | 拉伸诱导聚合物自生长的机理及微结构的可逆调控。 a 在双轴拉伸的硅胶膜上，拉伸诱导聚合物自生长微结构的示意图和实验验证。 b SIPS过程及其后续可逆调控的示意图、模拟和实验验证。图中参数λ、H₂分别表示拉伸比和激光刻写深度。

在系统研究直微柱的自生长过程时（图2），研究人员通过改变激光扫描圈数控制刻蚀深度，观察了微柱从平坦到反碗状、再到火山口状最终形成微柱的四个演化阶段。定量分析表明，微柱高度受拉伸比和激光刻蚀深度共同控制，并建立了H₁ = (λ²-1)(H₂-28)的定量关系。通过提取模拟数据获得的等高线图与实验结果高度一致，证实了仿真框架的预测能力，可有效指导结构设计，减少实验工作量。研究发现，微柱形态仅由预拉伸比和激光刻蚀深度决定，与材料刚度无关。

图2 | 拉伸诱导直型微柱的自生长。 a 在双轴拉伸膜上（拉伸比λ=1.67），随着激光扫描圈数从1增加到80，直型微柱的激光共聚焦图像。 b 图a中所示直型微柱对应的横截面轮廓。 c 微柱高度和直径随激光刻写深度变化的实验结果。 d 完全释放膜后，图a中微结构的激光共聚焦图像。 e 图d中所示微结构对应的横截面轮廓。 f 释放膜后，微柱高度和直径随激光刻写深度变化的实验结果。 g 微柱高度随激光刻写深度和拉伸比变化的等高线图。 h 微柱直径随激光刻写深度和拉伸比变化的等高线图。 i 在五种实验条件下微柱高度的实验与模拟结果比较：H₂=60μm，λ=1.18；H₂=80μm，λ=1.27；H₂=100μm，λ=1.34；H₂=120μm，λ=1.54；H₂=140μm，λ=1.67。 j 在五种实验条件下微柱直径的实验与模拟结果比较。 k 根据模拟结果，不同激光刻写深度下微柱高度与拉伸比的定量关系。 l 根据模拟结果，不同激光刻写深度下微柱直径与拉伸比的定量关系。误差棒表示三次独立测量的标准差。

针对微柱的可逆调控性能（图3），研究团队对在不同激光刻蚀深度下制备的一排微柱进行了循环形变测试。随着拉伸比从1.67逐渐减小到1.0，微柱高度从180微米递减至32微米，相邻微柱间距也从805微米减小到497微米。在随后的九次拉伸-释放循环中，微柱高度在前一次循环后略有增加并达到稳定，而微柱间距始终保持不变，证实了几何可逆性和机械稳定性。

图3 | 拉伸诱导自生长直型微柱的可逆调控。 a 微柱随拉伸比从1.67变化到1的侧视光学图像及相应模拟。 b 在69、85、119和127 μm激光刻写深度下制备的微柱高度随拉伸比的变化。 c 对应图b中四个结构，在十次连续的释放和重新拉伸循环中微柱高度的循环变化。 d 图b中微柱间距随拉伸比的变化。 e 图b中微柱间距在十次释放和重新拉伸循环中的变化。误差棒表示三次独立测量的标准差。

除直微柱外，研究团队还开发了非对称激光刻蚀策略制备弯曲微柱（图4）。先在圆形路径刻蚀制备直微柱，再在微柱一侧重复刻蚀半圆形路径引入不对称应力释放，使微柱向未扫描一侧弯曲。随着刻蚀深度增加，弯曲角度从90°增大到122°，长度从141微米增加到266微米。在循环拉伸释放过程中，较小的刻蚀深度表现出更好的恢复性和机械可逆性。

图4 | 拉伸诱导弯曲微柱的自生长及可逆调控。 a 说明弯曲微柱制备及可逆调控的示意图和模拟。H₂和H₃分别表示对应圆形路径和半圆形路径的激光刻写深度。 b 不同H₃下制备的弯曲微柱的径向应力分布模拟。弯曲角度(α)和微柱长度(L)在插图中定义。 c 图b所示弯曲微柱左、右根部应力的比较。 d 在1.67拉伸比下，随着H₃增加制备的弯曲微柱的激光共聚焦图像。 e 图d中弯曲微柱对应的横截面轮廓。 f 完全释放膜后，图d中微结构的激光共聚焦图像。 g 图f中微结构的横截面轮廓。 h 随着H₃增加，弯曲微柱的模拟高度轮廓。 i 微柱弯曲角度(α)和长度(L)随H₃变化的实验与模拟结果。 j 随着H₃增加制备的微柱在释放过程中弯曲角度(β)的变化。 k 随着H₃增加制备的微柱在释放过程中长度(L)的变化。 l 随着H₃增加制备的微柱在十次释放和重新拉伸循环中弯曲角度的变化。 m 随着H₃增加制备的微柱在十次释放和重新拉伸循环中长度的变化。误差棒表示三次独立测量的标准差。

基于SIPS方法的优异特性，研究团队探索了多项应用（图5）。在触觉感知方面，他们开发了可调盲文学习平台。通过调节拉伸比，可同时连续调整盲文点间距和点高度，高深宽比微柱增强了触觉感知。对特殊教育学校学生的测试表明，该平台可用于评估学习者熟练程度，未来可帮助初学者从"简易模式"（大拉伸比下放大的点间距和高度）逐步过渡到标准盲文。在信息加密方面，研究团队利用四种不同的弯曲方向对应莫尔斯码的点、划、双点、双划，将"激光诱导聚合物自生长"这一短语编码。在拉伸状态下信息清晰可读，释放后微柱缩回仅留激光烧蚀痕迹实现加密，再次拉伸又可解密，展现了可重构编码平台的鲁棒性和可重复使用性。

图5 | 可调盲文和信息加密/解密的应用。 a 通过拉伸或释放弹性膜调节盲文的示意图。 b 小学生测试具有可调微柱高度和间距的盲文图案的示意图。 c 学生之间临界识别拉伸比的变化，反映了触觉敏感性和盲文熟练程度的差异。 d 盲文识别难度可通过调整拉伸比来调节。侧视光学图像显示了相应的微柱间距和高度。 e 在1.67拉伸比下，短语"激光诱导聚合物自生长"被编码成五排微柱，使用四个不同的弯曲方向。直型微柱用于分隔字符。 f 完全释放膜后，仅激光烧蚀痕迹可见，使编码信息暂时不可见。重复释放和重新拉伸可实现信息加密和解密的可逆转换。

总而言之，这项研究提出的SIPS方法结合飞秒激光切割和弹性膜拉伸，为快速制造可重构微结构提供了一个普适、高效的平台。虽然当前工作聚焦于纯弹性体薄膜，但前期研究表明，添加分散良好的纳米填料可进一步增强抗疲劳性能和长期耐用性，而磁性或光热纳米填料则可能赋予微结构额外的刺激响应或驱动功能。这种材料层面的功能化与SIPS方法可编程自生长的结合，为多功能软微器件的开发和应用导向的拓展研究开辟了新的途径。