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)構成，在某個應力下容易發(fā)生變形。軟物質(zhì)的自由表面在壓應力下會發(fā)生大變形，導致形貌發(fā)生復雜變化，產(chǎn)生如同“手風琴風箱”般的形變。當壓應變足夠大時，原自由表面會彎折成為褶皺，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，如同大腦的腦溝，或者彎曲手肘時的表皮折疊。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，關鍵的科學問題仍未完全闡明：為什么應力移開后，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解釋軟物質(zhì)受力后形成永久褶皺的機理。持續(xù)的弱化或破壞被認為改變了材料的局部力學性能，導致在某些位置容易形成皺痕。在折疊的兩個面之間的黏結(jié)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，無論是塑性變形，還是黏結(jié)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團隊的實驗與新發(fā)現(xiàn)

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程中折疊與解折疊的不對稱性。

其實驗設計如下：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，它們均勻地擠壓膠質(zhì)層（每次壓縮步長1μm）。最終，膠質(zhì)層表面開始彎曲，直到彎曲的兩側(cè)相互接觸并形成一個褶皺。逐漸減小壓力（即松弛過程）后，觀察到浸沒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。

深入觀測與滯后現(xiàn)象

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

實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(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)中的壓縮還是恢復過程。如果整個體系的動力學狀態(tài)單純由褶皺兩側(cè)的黏結(jié)力控制，結(jié)果或許可以預期。然而，僅黏結(jié)力理論無法解釋當膠質(zhì)浸沒在不同液體中時，加壓和減壓全過程表面形貌的顯著差異。

核心機制：Y/T轉(zhuǎn)變與表面張力作用

觀測揭示了關鍵形狀差異：

?在壓應力狀態(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。

?當壓力釋放時：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，當表面張力增加時，褶皺解折疊（消失）過程所需的能量比形成褶皺時要多。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相關的能量壁壘（表面張力作用）。

類比與統(tǒng)一機制：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的液-固界面中的接觸線釘扎(contact-line pinning)機制類似。當液-氣界面與固體表面接觸時（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)。如果未達平衡，應力會驅(qū)動接觸線移動。然而，由于表面的非均勻性，接觸線的運動往往不是平滑的，它會被表面局部的不規(guī)則性所阻礙或“釘扎”，導致斷續(xù)的移動（滯后）。

實驗結(jié)果表明，這種接觸線的釘扎機制正是導致軟物質(zhì)表面褶皺形成和保留的關鍵原因。

意義與應用

作為表現(xiàn)出強烈非線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(xiàn)象，例如：為什么干燥的水果會起皺？

這一關于表面褶皺形成的新機制（液體浸潤接觸線釘扎機制）具有重要的實際應用價值：

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：可以預期通過操縱軟物質(zhì)的表面張力來“編程”褶皺的模式，從而精確控制液體在這些結(jié)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(jié)

Van Limbeek團隊的研究揭示：表面張力通過液體在（初始）不均勻表面的浸潤和接觸線釘扎機制，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。