《Advanced Optical Materials》：Pointlike Material Accumulation and Displacement in Azopolymer Thin Films Driven by Spatial Light Modulation
编辑推荐：
研究人员报道了一种利用空间光调制器（spatial light modulator, SLM）产生具有受控偏振分布的定制矢量光场，从而对偶氮苯功能化聚合物薄膜进行精确表面结构化的方法。该方法能够直接写入局部表面特征，例如单个和多个高纵横比尖峰（high-asp
研究人员报道了一种利用空间光调制器（spatial light modulator, SLM）产生具有受控偏振分布的定制矢量光场，从而对偶氮苯功能化聚合物薄膜进行精确表面结构化的方法。该方法能够直接写入局部表面特征，例如单个和多个高纵横比尖峰（high-aspect-ratio spikes）以及微米尺度的深孔，利用了偶氮苯分子在聚合物基质内的光诱导重排。用于创建这些表面形貌的矢量光场类似于制备q-plate（q-plate）时所采用的液晶局部光轴分布。由此产生的分子重新排列诱导各向异性内应力，导致粘塑性变形，并形成复杂、可编程的表面结构，远超传统双光束干涉光刻所能实现的周期性图案。该方法在局部激发条件下验证了粘塑性光取向（Viscoplastic PhotoAlignment, VPA）模型，同时也为高分辨率表面图案化提供了一种实用且可逆的工具。这些结果建立了一个用于制造可编程材料的平台，在自适应光学、微流控系统和表面传感方面具有潜在应用。
**研究背景与问题**
控制软材料表面微纳尺度形貌在可调光学、可重写微流控器件、刺激响应粘附表面以及微纳颗粒程序化捕获等领域具有重要意义。偶氮苯功能化聚合物因具有光驱动的可逆形变能力而成为理想平台，其变形源于聚合物基质内光诱导的分子重排。传统方法通常利用偏振光干涉图案在偶氮聚合物薄膜中写入表面浮雕光栅（surface relief grating, SRG），其形成依赖于偶氮苯发色团经历多次反式–顺式光异构化循环后垂直排列于局部偏振方向，进而产生各向异性光机械应力，驱动粘塑性变形。然而，传统双光束干涉光刻受限于周期性图案，难以实现任意、非周期的局部形貌控制。近年来，空间光调制器（SLM）和结构化光学场已被用于引导偏振和强度依赖的质量输运，但将偏振工程与局部点状形貌双向调控相结合的方案仍面临挑战。
**研究内容与意义**
研究人员基于此前发展的SLM数字偏振旋转器，产生了具有任意偏振分布的矢量光场，并投影至偶氮苯功能化聚合物薄膜上。受q-plate中液晶局部光轴空间变化概念的启发，该矢量光场使得偶氮苯发色团重排到垂直于局部电场矢量的方向，主链被迫沿电场方向取向，从而镜像了液晶光轴的空间结构。依据粘塑性光取向（VPA）模型，这种集体重排诱导各向异性内应力，驱动聚合物发生粘塑性变形，形成尖峰或孔洞等局域特征。该研究展示了在均匀光强下通过重新配置局部偏振状态即可在材料的积累与耗尽之间连续切换，这种双向控制能力是静态干涉光刻无法提供的。该方法无需光致固液相变，仅依赖玻璃态下的塑性流动，且保持体积守恒，为高分辨率、可逆表面图案化提供了新途径，并为可编程材料制造奠定平台。
**关键技术方法**
研究人员采用反射式液晶硅SLM（PLUTO-2.1，Holoeye，1920×1080像素）置于两个正交四分之一波片之间，构成偏振旋转器，实现逐像素控制偏振方向（8位动态范围，180°旋转，约0.7°/灰度级）。488 nm激光经扩束后均匀照明SLM，并通过显微镜物镜聚焦到薄膜上，获得230×130 μm2的照明区域，同时结合分束立方体和离轴相机实现实时监测。实验使用聚（4-乙烯基吡啶）（P4VP，Mw≈1 kDa）与4-羟基-4′-二甲氨基偶氮苯（OH-DMA）以2:1摩尔比形成的超分子偶氮聚合物薄膜，旋涂厚度约1 μm。形貌表征采用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM），其中SEM对样品溅射10 nm金层以避免充电效应。模拟部分基于VPA模型，利用ANSYS有限元软件对30×30×1 μm3薄膜进行离散化（约66000个四面体单元），设置屈服应力τ
yield=10 MPa、塑性流动相关参数γ=2.5×10?3 s?1以及有效取向势V
r=?100，分别模拟径向和角向偏振光作用下的形貌演化。
**研究结果**
*表面形貌的写入与偏振映射*
利用SLM偏振旋转器，研究人员成功写入常规正弦表面浮雕光栅以及任意形状图案，最小横向特征尺寸约为530 nm。通过分析类似双光束偏振全息的周期调制，发现形貌最小值与水平偏振区域重合，直接验证了偏振取向与表面调制的映射关系。
*尖峰与孔洞的可控生成及动力学*
通过设计径向收敛的偏振矢量（指向共同中心）可在10 s内写入高度约300 nm的尖峰；采用沿同心圆切向的角向偏振矢量则形成深度约300 nm的孔洞。定量研究表明，在平均强度16.22 W cm?2下持续照射30 min，尖峰高度可达2.7 μm，约为初始膜厚的三倍。尖峰高度随时间呈双相生长：初始近线性快速响应，随后过渡到次线性增长，对应光致应力松弛和主链取向趋于饱和。
*VPA模型的模拟验证*
有限元模拟基于VPA模型重构了径向和角向偏振引起的应力场，预测了材料向中心汇聚形成尖峰或从中心向外输运形成孔洞的行为。模拟得到的10 s尖峰高度约280 nm、孔洞深度约238 nm，与实验（AFM测得尖峰约300 nm、孔洞约340 nm）在峰高和孔深上呈现良好一致性，但模拟轮廓更尖锐，实验形貌更圆润。这种差异归因于理想化偏振分布与实际光学场的偏差，包括显微镜物镜的衍射极限点扩展函数（point spread function, PSF）导致的偏振梯度平滑、中心区域光强局部降低以及表面张力驱动的弛豫效应。体积积分分析显示孔洞排出体积与尖峰积累体积相差仅约4%，表明质量高度守恒；但尖峰底部面积平均比孔洞大11%，因此尖峰高度略低于孔洞深度。该横向展宽可能源于形貌演化过程中局部离焦、折射和散射的动力学反馈。
*复杂图案与周期性结构*
利用逐点写入能力，研究人员制造了由尖峰和孔洞组合而成的“SSM”（Smart Soft Matter）字母图案，尖峰高约1.4 μm，孔洞深约1.2 μm。将尖峰和孔洞作为“像素”周期性排列，可得到周期约2–12 μm可调的完全图案化表面；截面SEM显示孔洞区域残余厚度仅约120 nm，而尖峰区域厚度累积至约2.5 μm。
*可逆重构与动态切换*
在固定位置先写入高约300 nm的尖峰，然后切换为角向偏振，尖峰在约6 s内弛豫至平坦，继续照射10 s形成同深度孔洞；重新切换至径向偏振，在16 s内原位恢复尖峰。该尖峰–孔洞–尖峰转变可重复至少10个循环，垂直振幅保持稳定，未出现动力学或结构保真度退化。此外，通过动态变化的矢量偏振场，可使薄膜表面产生类似传播水波的持续形貌波动，展示了超越静态图案的时变表面形貌能力。
**讨论与结论**
讨论部分强调了VPA模型在局部矢量激发下的预测能力，模拟与实验在质量输运方向和幅度上的吻合证实了光致应力张量是点状形貌转变的主要驱动因素。模拟与实验在特征曲率上的差异主要源于理想化偏振场与实际光学场之间的偏差，而非模型本身的不足。质量守恒和横向展宽现象进一步表明形貌演化与光学场之间存在动态反馈。研究人员总结提出：该方法实现了聚合物表面形貌的动态、空间分辨控制，能够在固定位置以秒级时间尺度可逆转换单个形貌元素，且多循环无退化；同时可生成周期性和空间复杂图案，并利用动态偏振场产生自适应、时间依赖的形貌。有限元模拟验证了VPA模型描述的可逆光驱动质量输运机制。该平台为自适应光学元件、可调润湿表面、可重构光子界面以及胶体组装动态模板等应用开辟了新途径。总体而言，该研究通过结构化光实现了软物质系统在动态和空间选择性上的可控操作。
