软弹性薄膜微压痕三维成像与微观变形机制的跨尺度研究

【编辑推荐】针对软材料界面接触力学复杂导致的机械参数表征难题，研究者开发了结合微压痕与荧光共聚焦成像的原位三维测量系统，实现了PDMS薄膜从“下陷”到“堆积”的厚度依赖性变形转变的精准观测，为软物质微力学行为研究提供了新工具。成果发表于《Extreme Mechanics Letters》。

　　

软材料在生物医学和柔性电子等领域应用广泛，但其微观力学行为的精确表征长期受限于传统测量方法的不足。尤其是软材料界面在微压痕过程中的复杂接触力学（如“下陷”（sink-in）与“堆积”（pile-up）现象），使得应力-应变分布的量化成为挑战。北京航空航天大学的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表论文，通过创新性整合微压痕系统与三维荧光成像技术，首次实现了软弹性薄膜微观变形的跨尺度动态观测。

研究采用四个关键技术：1）自研微压痕装置（含压电定位台和力传感器）；2）荧光共聚焦显微镜（confocal imaging）原位三维成像；3）单粒子追踪技术量化位移场；4）PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜模型（厚度27-137 μm，弹性模量E=2.85 MPa）与球形压头（R=150 μm）的接触力学实验。

【Micro-indentation setup】
团队设计的系统通过压电驱动实现1 μm步长的精准位移控制，结合3D打印框架集成力传感器和样本台。实验显示，当薄膜厚度t从137 μm降至27 μm时，压痕周围变形模式从“下陷”转变为“堆积”，表明厚度是变形机制的关键调控因素。

【Deformation and stress distribution】
通过粒子追踪发现，薄膜（t=27 μm）在压痕边缘产生高达12%的局部应变，而厚膜（t=137 μm）应变分布更均匀。润滑条件改变会显著影响位移场对称性，证实界面摩擦对微观力学响应的调控作用。

【Conclusion】
该研究建立了软材料微观变形与宏观力学性能的关联，为组织工程和柔性器件设计提供了新见解。作者特别感谢中国国家自然科学基金（12072010、11674019）和中央高校基本科研业务费（YWF-22-K-101）的支持。Shaohua Yang等强调，该方法可拓展至水凝胶等生物材料研究，未来或助力仿生材料开发。