AFM：清華馮西橋教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)可編程裂紋功能表面

薄膜的碎裂不僅是材料失效的典型表現(xiàn)形式，更成為調(diào)控功能器件性能的關(guān)鍵技術(shù)路徑，在柔性傳感器、納米流體通道及光刻模板等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。其中，碎片的尺寸分布、幾何構(gòu)型及空間排列等形貌特征，直接決定了器件的力學(xué)響應(yīng)特性、物質(zhì)傳輸效率及光學(xué)調(diào)制能力等核心性能指標(biāo)。然而，當(dāng)前研究主要聚焦于通過(guò)材料組成設(shè)計(jì)或應(yīng)力加載實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋網(wǎng)絡(luò)的全局調(diào)控，而對(duì)于碎片化圖案的局部編程仍缺乏有效策略。這種局限性嚴(yán)重制約了多功能集成器件的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)能力，尤其在柔性電子領(lǐng)域，局部可控的碎片化結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度應(yīng)變傳感、可拉伸電路互聯(lián)及生物相容性界面適配具有重要意義。因此，發(fā)展可空間編程的碎裂技術(shù)，建立碎片幾何特征的定量調(diào)控方法，已成為突破柔性電子等前沿技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

在生物系統(tǒng)中，一些具備厚角質(zhì)層的動(dòng)物（如鱷魚(yú)、犀牛與恐龍）通過(guò)碎裂形成鱗片結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能耗散。其皮膚圖案的形成受基因表達(dá)、材料屬性（厚度、硬度）及生物活動(dòng)引發(fā)的形變共同調(diào)控，且基底曲率對(duì)裂紋網(wǎng)絡(luò)的空間分布具有顯著調(diào)控作用。典型例證可見(jiàn)于鱷魚(yú)頭部：低曲率扁平臉頰區(qū)域呈現(xiàn)小尺度、多邊緣的鱗片特征，而高曲率頭部區(qū)域則形成大尺度、少邊緣的鱗片排列。這種曲率相關(guān)的形貌差異揭示了曲率與碎片形貌間的定量關(guān)聯(lián)。受此啟發(fā)，清華大學(xué)馮西橋教授團(tuán)隊(duì)提出了一種力學(xué)調(diào)控策略，通過(guò)改變基底曲率實(shí)現(xiàn)裂紋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)制，從而建立曲率參數(shù)與碎片尺寸、幾何特征間的定量標(biāo)度關(guān)系。該策略為設(shè)計(jì)具有空間編程能力的表面結(jié)構(gòu)提供了新范式。

受動(dòng)物皮膚開(kāi)裂啟發(fā)的曲率調(diào)控力學(xué)策略。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)界面內(nèi)聚近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬（詳細(xì)參見(jiàn)：Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2024, 191, 105757）與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究了曲面膜基系統(tǒng)的碎裂行為。結(jié)果表明，裂紋網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)分級(jí)演化的特征。為闡釋曲率對(duì)碎裂形貌的調(diào)控機(jī)制，研究者們構(gòu)建了分級(jí)剪滯模型，揭示了曲率影響基底等效剛度，并進(jìn)而改變薄膜內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變能水平的物理機(jī)制。進(jìn)一步地，研究者們分別建立了碎片尺寸和碎片形狀與曲率之間的標(biāo)度關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)：隨著基底曲率半徑的減小（可通過(guò)壓縮柔性基底引起褶皺實(shí)現(xiàn)），碎片尺寸逐漸增大，同時(shí)碎片邊數(shù)逐漸減少。這些標(biāo)度律在先進(jìn)電子器件制造、古生物形態(tài)重建及新型分級(jí)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，為功能表面的曲率-形貌協(xié)同設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

薄膜分級(jí)碎裂的物理機(jī)制

碎裂尺寸對(duì)曲率的依賴(lài)性

碎裂形狀對(duì)曲率的依賴(lài)性

力學(xué)策略的應(yīng)用

該研究成果以“Bioinspired Strategy for Controlling Crack Network Morphology on Curved Films”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上。論文第一作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生楚仕源，通訊作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院馮西橋教授，論文合作者還包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后李爽與白金帥，該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

近年來(lái)，清華大學(xué)馮西橋教授團(tuán)隊(duì)在膜基系統(tǒng)斷裂的數(shù)值方法開(kāi)發(fā)與生物力學(xué)應(yīng)用方面開(kāi)展了系列工作。團(tuán)隊(duì)發(fā)展了界面內(nèi)聚近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法，用于模擬混合模式界面脫粘，以及研究開(kāi)裂與脫粘的耦合效應(yīng)。揭示了調(diào)控動(dòng)物皮膚模式的形貌力學(xué)機(jī)制，并給出了預(yù)測(cè)皮膚形貌的無(wú)量綱參數(shù)與標(biāo)度律。相關(guān)工作發(fā)表于力學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics and Solids與力學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Engineering Fracture Mechanics。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202514054

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105757

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2025.106167

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.111108

https://doi.org/10.1080/15376494.2025.2519945