近期， 张文明教授团队与化学化工学院姜学松教授合作研究，在Nature Communications上发表文章“Photo-induced stress relaxation in reconfigurable disulfide-crosslinked supramolecular films visualized by dynamic wrinkling”(被选为Editor's Highlights)，提出了一种基于光控动态超分子硬膜/软基体系表面失稳形貌的可编程重构方法，建立了聚合物薄膜表面失稳-动态超分子链之间的跨尺度非线性本构力学模型，揭示了光驱动宏观结构表面失稳-薄膜应力松弛-动态分子的跨尺度耦合作用机制，突破了分子尺度扰动行为的可视化难题。胡开明副教授为本文共同第一作者，通讯作者为张文明教授和姜学松教授。
微纳结构制造技术在智能显示、结构色构造、防伪标志制作、微流体通道和界面工程领域有着十分广泛的应用。双层硬膜-软基体系中聚合物硬膜和软基之间界面应力不匹配导致的表面失稳力学行为，可为表面微纳结构制造提供一种新型的技术路线，同时硬膜/软基体系中动态表面失稳微纳结构的研究对研制动态调控特性的功能表面器件具有重要的指导意义。然而微纳尺度表面失稳结构受到聚合物薄膜应力分布状态调控，薄膜应力状态与分子尺度的分子链构象密切相关。目前的研究中，分子运动引起的超分子链构象动态特性和表面失稳微纳结构动力学特性之间的跨尺度关联关系难以厘清，通过动态分子精确调控、实现表面失稳微纳结构可编程重构是极具挑战性的难题。
为了实现表面失稳结构分子层面的可重构动态调控，研究团队提出了一种基于光响应动态超分子的硬膜/软基体系表面失稳形貌的可编程重构方法，建立了聚合物薄膜表面失稳-动态超分子链之间的跨尺度本构模型，厘清了光驱动硬膜/软基体系结构失稳-应力松弛-动态分子运动之间跨尺度关联关系，突破了超分子之间扰动行为的可视化难题。基于动态化学的微观-宏观跨尺度力学模型有助于深入理解动态分子调控的表面失稳微纳结构动力学演化规律，促进结构动力学与动态化学两个学科之间交叉融合，还可推动功能表面器件表面失稳结构-动态分子链的跨尺度动力学设计理论发展。
图1. 光控动态超分子诱致硬膜-软基体系的“蝴蝶效应”
研究团队将含吡啶的共聚物和含光敏二硫化物的苯甲酸单体组成的动态交联超分子聚合物网络，旋涂在聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体上，构筑光响应动态超分子硬膜-软基体系。上述体系在365nm紫外线照射下，由二硫键交换引起的交联超分子网络的内部应力松弛，可以选择性地消除硬膜-软基体系中曝光区域表面失稳结构。更值得注意的是，最初垂直于曝光边界的未曝光表面失稳结构在加热/冷却后出现正交的结构拓扑突变现象。研究团队将光诱导的二硫键动态交换的微扰效应引起的硬膜-软基体系中表面失稳结构拓扑结构突变现象，称为光控动态超分子诱致硬膜-软基体系的“蝴蝶效应”。为了厘清上述跨尺度“蝴蝶效应”形成的力学机理，研究团队建立一种聚合物薄膜表面失稳-动态超分子链之间的跨尺度非线性本构力学模型，揭示了光驱动体系表面失稳-薄膜应力松弛-分子二硫键动态交换的跨尺度耦合作用机制,为基于表面失稳结构的超分子尺度扰动行为可视化探测提供坚实的理论支撑。
图 2. 动态超分子网络驱动的表面失稳微纳结构跨尺度动力学建模
研究团队进一步利用基于光诱导硬膜二硫键交换的扰动效应，可以实现对薄膜应力分子层面可控编辑，并通过选择性紫外曝光制备一系列复杂表面失稳结构图案，如“SJTU”字母、三叶草、中国结和蝴蝶等形状图案被光刻在功能表面器件上，随后被选择性地擦除，且不同形状的复杂图案信息可以多次迭代地在双层膜的表面上可重构写入-擦除，并且由于写入和擦除区域之间的光散射强度不同而使其肉眼可见。因此，上述可重构表面失稳图案可用于智能信息显示、动态无墨印刷和防伪等领域。
图3. 基于可重构表面失稳图案的动态防伪标签
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和上海市基础研究重大项目资助。
