Coexistence of wrinkles and folds in film–substrate systems in contact with water droplets

薄膜中皱纹与褶皱并存

基本信息

批准号：
22H01360
负责人：
永島壮
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01360/
关键词：
表面不安定薄膜リンクル表面張力固体力学フォールド

项目摘要

本研究は，薄膜の表面に接触した水滴が駆動する表面不安定現象に着目し，その発生機構と制御原理を解明することを目的とする。特に，波状パターン「リンクル」と折畳パターン「フォールド」の共存現象を対象に，顕微鏡その場観察実験と有限要素解析，理論構築の融合研究を実施し，上記の目的を達成する。本年度の研究実績は，以下の通りである。実験においては，エラストマー基板の表面に酸化薄膜や金薄膜を形成してリンクルを作製した。次に，水滴をリンクル表面に静置し，リンクルからフォールドへのパターン変態が生じない条件について検討した。これまでの研究成果に基づいた予測通り，膜厚が数十ナノメートルから数百ナノメートルの場合は，水滴接触後もリンクルが維持され，共存現象は生じないことを明らかにした。この実験を遂行する過程で，表面不安定現象に基づき階層凹凸パターンが形成する現象を新たに見出し，そのメカニズムを明らかにした。さらに，リンクル・フォールド共存を発生させずに異方的な濡れ特性を示す機能表面の作製に応用できることを実証し，その研究成果を国際学術雑誌Advanced Materials Interfacesに原著論文として掲載した。有限要素解析においては，汎用ソフトウェアAbaqusを用い，水の表面張力が駆動するリンクル・フォールド変態の基礎的な検討を実施した。具体的には，水の表面張力に相当する集中荷重をリンクルの頂点近傍に作用させ，フォールド変態の発生条件を検討した。特に，リンクルを形成する初期ひずみや膜と基板の弾性特性など，種々のパラメータがフォールド変態に及ぼす影響を明らかにした。さらに，表面張力を除荷した後のパターン変態について解析し，有用な知見を獲得した。

本研究主要针对水滴与薄膜表面接触引起的表面失稳现象，旨在阐明其产生机制和控制原理。特别是，我们将针对波状图案“皱纹”和折叠图案“褶皱”的共存现象，进行原位显微观察实验、有限元分析和理论构建的融合研究，以实现上述目标。今年的研究成果如下。实验中，通过在弹性体基材表面形成一层薄氧化膜或一层薄金膜来产生皱纹。接下来，将水滴放置在皱纹表面上，并研究不发生从皱纹到折叠的图案转变的条件。根据之前的研究结果预测，我们发现，当薄膜厚度为几十纳米到几百纳米时，即使与水滴接触后，皱纹仍会保持，并且不会出现共存现象。在进行该实验的过程中，我们发现了一种基于表面不稳定现象形成分层不均匀图案的新现象，并阐明了其机制。此外，我们证明了该方法可以应用于生产具有各向异性润湿特性而不会同时存在皱纹和褶皱的功能表面，并将研究结果作为原创论文发表在国际学术期刊Advanced Materials Interfaces上。在有限元分析中，我们利用通用软件Abaqus对水表面张力驱动的皱纹-褶皱转变进行了基础研究。具体来说，我们在皱纹顶点附近施加相当于水的表面张力的集中载荷，以检查折叠变形发生的条件。特别是，我们阐明了各种参数对折叠变形的影响，例如形成皱纹的初始应变以及薄膜和基材的弹性特性。此外，我们分析了卸载表面张力后的图案转变，并获得了有用的知识。