人工表面マイクロナノ構造の設計と応用は過去数十年で広く注目されている。従来のリソグラフィやテンプレート戦略は精度が高く、再現性が良いなどの利点があるが、設備が特殊で、コストが高く、効率が低いなどの固有の限界もある。対照的に、応力駆動表面の不安定性に基づく自己集合方法は、従来のリソグラフィツールやマスクを必要とせずに大面積で秩序化されたマイクロナノ構造を迅速に生成するためのコストが低く、効率が高く、信頼性の高い代替経路を提供する。しかし、従来の方法で生成された皺構造は通常、形態が単一で表面に均一に分布しており、単一サンプルにおいて大規模なマルチモード制御を実現することは困難である。そのため、杭州電子科学技術大学の胡亮教授チームと中国科学技術大学の倪勇教授チームは、3軸機械負荷をかけることで制御可能なマルチモード皺を製造する簡便で効率的な方法を提案した。

本研究はカスタム設計の三軸（角度120°）延伸装置を用いて、三角形フレキシブル基板（例えばPDMS、Ecoflex）に均一なプレ歪を加え、その後マグネトロンスパッタリングあるいは紫外オゾン（UVO）表面改質などの技術を利用してプレ延伸の基板上に剛性表面層を形成する、3軸プレ歪を同期的に解放することにより、薄膜の圧縮不安定化を誘導し、それによってヒダ構造を形成する（図1）。さらに光学顕微鏡と原子間力顕微鏡（AFM）を用いて皺の形態、寸法及びその随伴位置（隅から対辺まで）の進化規則を系統的に特徴づけ（図2）、そして有限要素シミュレーションと理論分析を結合して、三角形薄膜の三軸圧縮下の応力分布特徴を明らかにした（図3）。

図1三軸ひずみ下の多型ひだの製造

図2の2つの異なるフィルムシステムの異なる位置（隅、縁、中心）における皺の形態

図3有限要素解析結果

実験結果により、ひだ形態は顕著な位置依存性を呈した：サンプル隅の直縞状ひだから、徐々に中心領域の迷路状ひだに発展し、最終的にエッジ付近で波形状ひだに変化した（図4）。皺の波長と振幅はいずれも膜厚の増加に伴ってほぼ線形に増加するが、その基本モード特性は変わらない。有限要素シミュレーションにより、この多モード分布は三軸荷重下の薄膜内部の応力異方性の位置による連続変化に由来することを確認した。機能性能試験はさらに、異なるモードの皺が独特の応用潜在力を示している：縞と波紋皺の摩擦力は強い異方性を示している（図5）、迷宮皺の摩擦力は等方性を示している（図6）。同時に、異なる位置の皺は異なるレーザー回折パターンを生成し、これらの光学特性は機械的歪みによって可逆的かつ安定的に制御することができる。これらの結果は、3軸ひずみを用いて製造されたマルチモードひだが、インテリジェント表面工学と同調可能デバイスの分野で重要な応用可能性を備えていることを共同で示している（図7）。

図4多型皺の位置依存性

図5縞皺の摩擦特性

図6ラビリンス状及び波形状皺の摩擦特性

図7多モード皺の光学特性

以上より、本研究はフレキシブルフィルムシステムにおいて制御可能なマルチモード皺を製造するための3軸歪荷重に基づく簡便な方法を発展させた。この方法の核心的な優位性はその簡単性、高効率性と普遍性にあり、複雑なリソグラフィやテンプレートプロセスを必要とせず、引張可能電子工学、弾性光学、表面工学、生体模倣装置などの分野で広い応用の将来性を持っている。現在の方法は2次元平面基板上で実装されている。しかし、多くの実際の応用シーン（例えばウェアラブルデバイス、ロボット関節）は複雑な3次元サーフェスに関連しており、どのようにしてこの3軸ロード戦略をサーフェスに適合させ、そのしわパターンを予測するかは、さらに深く研究することができる。