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日常生活中，如果仔细观察，我们很容易就能发现辣椒、蒜苔这些常见的蔬菜，在久放失水之后会出现一些奇妙的褶皱形貌。 那么，这些复杂形貌的背后，是否有一些物理力学机制在发挥作用呢？ 为了探索于大自然中随处可见的环形结构在膨胀或收缩后形成的复杂褶皱形貌与其初始构型曲率之间的规律，教授课题组开展了历时三年的研究。 在该研究中，他们建立了基于一般微分几何的非线性环形核壳力学模型，能够准确预测环形核壳结构生长或萎缩过程中因表面大变形而产生的复杂褶皱形貌。 基于该模型，他们进一步开展了标度律分析，得到了可表征核壳环面模态选择的两个关键无量纲参数（刚度与曲率）。通过这两个无量纲参数，他们构建了不同环形核壳结构表面形貌选择的普适相图，并通过实验验证了理论预测。 这对指导基于动态褶皱斑图的多功能材料表面设计具有重要意义，能够帮助工程师设计具有特定图案和结构功能的超表面。 2023 年 1 月 25 日，相关成果以《曲率调控圆环多相模态》（）为题Physical Review Letters上发表[1]。 图丨相关论文（来源：Physical Review Letters） 复旦大学博士研究生汪婷为论文的第一作者，教授为论文的通讯作者。 据悉，相关论文在发表后，得到了Nature以研究亮点形式撰写的专文报道。 如上所述，该研究是由好奇心驱动，后来研究团队通过调研发现，自然界中的诸多物质都具有变曲率环形结构，从光年尺度的星系，到微米尺度的秀丽隐杆线虫。 “当时我们就想，在这么大的一个时空跨度上，其中蕴含的普适性规律究竟是什么？我们希望通过研究来理解这些不同尺度物质里存在的共性曲率问题，进而更好地理解自然世界。”表示。 图丨具有环形几何构型的各种生物的表面褶皱形貌（来源：Physical Review Letters） 在发展核壳模型之前，他们查阅了现有的文献，了解到前人也做过一些核壳模型，尤其是环形的核壳模型，但这些模型都只能描述小应变变形，不能准确预测他们所要研究的、表面发生了大变形的非线性褶皱形貌，这才使其决定要开发一个新的环形核壳模型。 为了验证基于模型的预测形貌演变与材料萎缩结果是否一致，该团队先采用3D 打印技术构建了具有不同半径比 α 的由光敏树脂制成的环形模具，接着用凝胶和聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）这类硅基弹性材料来浇注环形核心。 然后，把PDMS基料均匀浇筑在环形核心上来制作表面层。通过热胀冷缩或化学溶胀使得表面褶皱形貌得以形成。 图丨各种环形核壳结构表面褶皱形貌相图，与实验结果一致（来源：Physical Review Letters） 在看来，在理解自然现象的基础上，下一步他想探索如何将所获得的科学规律转化为相应的技术和应用。 比如，能否利用这个机制设计一些能在航空航天、生物医学工程或极端环境下应用的智能软体机器人。例如设计环境自适应等特殊功能的软体爬虫，可以通过表面形貌变化来改变爬行的摩擦力、阻力和动力等。 “这只是初步的设想，要想将其实现可能还有很长的路要走，但是我们要有耐心和信心。”说。 此外，他也对能够揭示普适性规律的基础研究发表了自己的看法，认为基础研究产生的影响是长远的，或许当下并不一定能够看到其应用所在，但在若干年以后可能会发挥重要作用。“就像牛顿受到苹果落地的启发而发现万有引力定律一样，当时谁也没有想到其后来可用于预测海王星的存在，指导卫星轨道等。”说。 参考资料：
1. Wang, T., Dai, Z., Potier-Ferry, M., Xu, F., Curvature-Regulated Multiphase Patterns in Tori. Physical Review Letters130, 048201(2023). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.048201
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00132-y
https://physics.aps.org/articles/v16/s5
https://phys.org/news/2023-01-wrinkle-patterns-surface-toroidal.html
运营/排版：何晨龙
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