軟物質(zhì)廣泛存在于日常生活中。多數(shù)生物組織由軟性物質(zhì)構(gòu)成，在某個(gè)應(yīng)力下容易發(fā)生變形。軟物質(zhì)的自由表面在壓應(yīng)力下會(huì)發(fā)生大變形，導(dǎo)致形貌發(fā)生復(fù)雜變化，產(chǎn)生如同“手風(fēng)琴風(fēng)箱”般的形變。當(dāng)壓應(yīng)變足夠大時(shí)，原自由表面會(huì)彎折成為褶皺，形成折疊的溝谷，最終成為互相接觸的表面。壓縮力在生物組織中造成的褶皺非常常見(jiàn)，如同大腦的腦溝，或者彎曲手肘時(shí)的表皮折疊。這類褶皺通常在軟物質(zhì)表面保持一種固定的皺痕。

先前理論的局限

盡管這種特征隨處可見(jiàn)，關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題仍未完全闡明：為什么應(yīng)力移開(kāi)后，皺痕仍然保留？為什么相同的材料表面受到均勻壓縮后，褶皺總會(huì)在某些特定位置產(chǎn)生？

先前通常用紙張的折疊或揉搓機(jī)制來(lái)解釋軟物質(zhì)受力后形成永久褶皺的機(jī)理。持續(xù)的弱化或破壞被認(rèn)為改變了材料的局部力學(xué)性能，導(dǎo)致在某些位置容易形成皺痕。在折疊的兩個(gè)面之間的黏結(jié)力也被認(rèn)為可能導(dǎo)致不同表面黏和在一起，從而即使應(yīng)力移去，構(gòu)型仍保持原樣。然而，無(wú)論是塑性變形，還是黏結(jié)力理論，都難以解釋褶皺形成對(duì)液體—固體表面張力的極端敏感性。

van Limbeek團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)與新發(fā)現(xiàn)

德國(guó)馬普所Michiel van Limbeek團(tuán)隊(duì)的研究揭示了褶皺永久化的新機(jī)制：反復(fù)周期形變的軟物質(zhì)最終形成皺痕的原因是液體浸潤(rùn)過(guò)程中折疊與解折疊的不對(duì)稱性。

其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將一層軟聚合物膠質(zhì)鋪在預(yù)拉伸的橡膠片上，并浸沒(méi)在具有不同表面張力的液體中。當(dāng)橡膠片上的應(yīng)力逐漸釋放時(shí)，它們均勻地?cái)D壓膠質(zhì)層（每次壓縮步長(zhǎng)1μm）。最終，膠質(zhì)層表面開(kāi)始彎曲，直到彎曲的兩側(cè)相互接觸并形成一個(gè)褶皺。逐漸減小壓力（即松弛過(guò)程）后，觀察到浸沒(méi)在不同液體中的膠質(zhì)層表面：有些恢復(fù)平整，有些則保留了褶皺。

深入觀測(cè)與滯后現(xiàn)象

團(tuán)隊(duì)使用共聚焦顯微鏡觀察膠質(zhì)表面形貌，直接測(cè)量膠質(zhì)在褶皺上的延展程度和角度。通過(guò)在膠質(zhì)表面附著熒光標(biāo)記的納米顆粒，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)褶皺兩側(cè)相互接觸和解離的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)清晰地顯示了褶皺的形成（壓縮）與消失（松弛）之間存在滯后現(xiàn)象。在給定的壓力下，褶皺的深度取決于膠質(zhì)是處于循環(huán)中的壓縮還是恢復(fù)過(guò)程。如果整個(gè)體系的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)單純由褶皺兩側(cè)的黏結(jié)力控制，結(jié)果或許可以預(yù)期。然而，僅黏結(jié)力理論無(wú)法解釋當(dāng)膠質(zhì)浸沒(méi)在不同液體中時(shí)，加壓和減壓全過(guò)程表面形貌的顯著差異。

核心機(jī)制：Y/T轉(zhuǎn)變與表面張力作用

觀測(cè)揭示了關(guān)鍵形狀差異：

?在壓應(yīng)力狀態(tài)下：褶皺的截面呈現(xiàn)字母Y的形狀。Y的柄部代表膠質(zhì)的自主接觸區(qū)域，Y的兩臂則表示折疊的表面。

?當(dāng)壓力釋放時(shí)：褶皺的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃谱帜窽，表面的彎曲迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫o貼自接觸區(qū)域的形態(tài)。

這種Y形到T形的轉(zhuǎn)變表明，當(dāng)表面張力增加時(shí)，褶皺解折疊（消失）過(guò)程所需的能量比形成褶皺時(shí)要多。這一能量差，除了可能用于克服折疊面之間的黏結(jié)力外，更重要的是需要克服液體在軟固體表面的浸潤(rùn)相關(guān)的能量壁壘（表面張力作用）。

類比與統(tǒng)一機(jī)制：接觸線釘扎

在這一系統(tǒng)中，表面張力所扮演的角色與常見(jiàn)的液-固界面中的接觸線釘扎(contact-line pinning)機(jī)制類似。當(dāng)液-氣界面與固體表面接觸時(shí)（例如桌面上的液滴），在固-液-氣三相連接處形成所謂的“接觸線”。桌面與液-氣界面切線之間的夾角（接觸角）表征表面張力平衡狀態(tài)。如果未達(dá)平衡，應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)接觸線移動(dòng)。然而，由于表面的非均勻性，接觸線的運(yùn)動(dòng)往往不是平滑的，它會(huì)被表面局部的不規(guī)則性所阻礙或“釘扎”，導(dǎo)致斷續(xù)的移動(dòng)（滯后）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種接觸線的釘扎機(jī)制正是導(dǎo)致軟物質(zhì)表面褶皺形成和保留的關(guān)鍵原因。

意義與應(yīng)用

作為表現(xiàn)出強(qiáng)烈非線性特征與大變形行為的體系，對(duì)褶皺及界面折疊的研究已成為有力的工具。它有助于解釋一些日常現(xiàn)象，例如：為什么干燥的水果會(huì)起皺？

這一關(guān)于表面褶皺形成的新機(jī)制（液體浸潤(rùn)接觸線釘扎機(jī)制）具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：

1.可折疊軟機(jī)器人裝置：理解和控制褶皺模式有助于設(shè)計(jì)和制造具有預(yù)定變形能力的柔性機(jī)器人。

2.表面工程與液體輸送：可以預(yù)期通過(guò)操縱軟物質(zhì)的表面張力來(lái)“編程”褶皺的模式，從而精確控制液體在這些結(jié)構(gòu)表面上的定向傳輸（如微流控）。

3.形貌引導(dǎo)與控制：可以利用該機(jī)制控制軟物質(zhì)表面的形貌演變，將表面的隆起或凹陷引導(dǎo)到特定的、所需的位置和形狀。

總結(jié)

Van Limbeek團(tuán)隊(duì)的研究揭示：表面張力通過(guò)液體在（初始）不均勻表面的浸潤(rùn)和接觸線釘扎機(jī)制，是軟物質(zhì)壓縮后形成并保留褶皺的核心原因。這一機(jī)制不僅適用于聚合物凝膠的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同樣可以解釋水果表皮、皮膚、甚至大腦等生物組織中褶皺的形成。