軟物質(zhì)廣泛存在于日常生活中。多數生物組織由軟性物質(zhì)構成，在某個(gè)應力下容易發(fā)生變形。軟物質(zhì)的自由表面在壓應力下會(huì )發(fā)生大變形，導致形貌發(fā)生復雜變化，產(chǎn)生如同“手風(fēng)琴風(fēng)箱”般的形變。當壓應變足夠大時(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(lèi)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制來(lái)解釋軟物質(zhì)受力后形成永久褶皺的機理。持續的弱化或破壞被認為改變了材料的局部力學(xué)性能，導致在某些位置容易形成皺痕。在折疊的兩個(gè)面之間的黏結力也被認為可能導致不同表面黏和在一起，從而即使應力移去，構型仍保持原樣。然而，無(wú)論是塑性變形，還是黏結力理論，都難以解釋褶皺形成對液體—固體表面張力的極端敏感性。

van Limbeek團隊的實(shí)驗與新發(fā)現

德國馬普所Michiel van Limbeek團隊的研究揭示了褶皺永久化的新機制：反復周期形變的軟物質(zhì)最終形成皺痕的原因是液體浸潤過(guò)程中折疊與解折疊的不對稱(chēng)性。

其實(shí)驗設計如下：將一層軟聚合物膠質(zhì)鋪在預拉伸的橡膠片上，并浸沒(méi)在具有不同表面張力的液體中。當橡膠片上的應力逐漸釋放時(shí)，它們均勻地擠壓膠質(zhì)層（每次壓縮步長(cháng)1μm）。最終，膠質(zhì)層表面開(kāi)始彎曲，直到彎曲的兩側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(guān)察到浸沒(méi)在不同液體中的膠質(zhì)層表面：有些恢復平整，有些則保留了褶皺。

深入觀(guān)測與滯后現象

團隊使用共聚焦顯微鏡觀(guān)察膠質(zhì)表面形貌，直接測量膠質(zhì)在褶皺上的延展程度和角度。通過(guò)在膠質(zhì)表面附著(zhù)熒光標記的納米顆粒，能夠連續監測褶皺兩側相互接觸和解離的過(guò)程。

實(shí)驗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)單純由褶皺兩側的黏結力控制，結果或許可以預期。然而，僅黏結力理論無(wú)法解釋當膠質(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(zhù)差異。

核心機制：Y/T轉變與表面張力作用

觀(guān)測揭示了關(guān)鍵形狀差異：

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

?當壓力釋放時(shí)：褶皺的形狀轉變?yōu)轭?lèi)似字母T，表面的彎曲迅速轉變?yōu)榫o貼自接觸區域的形態(tài)。

這種Y形到T形的轉變表明，當表面張力增加時(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力外，更重要的是需要克服液體在軟固體表面的浸潤相關(guān)的能量壁壘（表面張力作用）。

類(lèi)比與統一機制：接觸線(xiàn)釘扎

在這一系統中，表面張力所扮演的角色與常見(jiàn)的液-固界面中的接觸線(xiàn)釘扎(contact-line pinning)機制類(lèi)似。當液-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(xiàn)”。桌面與液-氣界面切線(xiàn)之間的夾角（接觸角）表征表面張力平衡狀態(tài)。如果未達平衡，應力會(huì )驅動(dòng)接觸線(xiàn)移動(dòng)。然而，由于表面的非均勻性，接觸線(xiàn)的運動(dòng)往往不是平滑的，它會(huì )被表面局部的不規則性所阻礙或“釘扎”，導致斷續的移動(dòng)（滯后）。

實(shí)驗結果表明，這種接觸線(xiàn)的釘扎機制正是導致軟物質(zhì)表面褶皺形成和保留的關(guān)鍵原因。

意義與應用

作為表現出強烈非線(xiàn)性特征與大變形行為的體系，對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?，F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制（液體浸潤接觸線(xiàn)釘扎機制）具有重要的實(shí)際應用價(jià)值：

1.可折疊軟機器人裝置：理解和控制褶皺模式有助于設計和制造具有預定變形能力的柔性機器人。

2.表面工程與液體輸送：可以預期通過(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構表面上的定向傳輸（如微流控）。

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

總結

Van Limbeek團隊的研究揭示：表面張力通過(guò)液體在（初始）不均勻表面的浸潤和接觸線(xiàn)釘扎機制，是軟物質(zhì)壓縮后形成并保留褶皺的核心原因。這一機制不僅適用于聚合物凝膠的實(shí)驗模型，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。