Вызванный растяжением обратимый самораст микроcтруктур с высоким аспектным отношением, вырисованный фемтосекундным лазером

Поверхности, меняющие форму по требованию

Представьте себе лист мягкой резины, который за секунды способен «вырастить» крошечные упорядоченные шипы, а затем снова распрямиться до гладкой поверхности, будто ничего и не происходило. В этом исследовании представлен именно такой материал, меняющий форму по требованию. Он обеспечивает быстрый обратимый способ формирования микроскопических бугорков и столбиков, что может улучшить тактильное чтение для незрячих, скрывать секретные сообщения или создавать умные покрытия, меняющие текстуру по команде.

Учимся у движущихся кож животных

В природе животные используют изменяющуюся текстуру кожи для захвата, цепкости или маскировки. Ученые давно пытаются подражать этим приёмам, но существующие методы часто опираются на медленные химические реакции, токсичные ингредиенты или одноразовые превращения формы. Ранние «саморастущие» пластиковые структуры обычно поднимались лишь немного над поверхностью и не могли быстро или обратимо регулироваться. Новый подход, названный саморастением полимера, вызванным растяжением (SIPS), преодолевает эти ограничения, заменяя медленную химию простыми механическими операциями: растяжением, надрезанием и отпусканием мягких резиноподобных листов.

Как вырастить и стереть микроскопические столбики

Основная идея проста. Тонкая эластичная мембрана — например, силикон, полиуретан или гидрогель — сначала натягивается, как барабанная мембрана, в двух направлениях. Пока она растянута, ультрабыстрый фемтосекундный лазер выводит крошечные замкнутые формы (например, круги или квадраты) на её поверхности, прорезая материал не полностью. Эти надрезы позволяют напряжённому материалу вокруг них расслабиться и втянуться внутрь, выталкивая небольшую область вверх в трёхмерный столбик. По мере того как лазер углубляет надрез вдоль того же контура, больше материала стягивается к центру и столбик вырастает выше, достигая высот, сопоставимых или больших по сравнению с его шириной. Компьютерные расчёты показывают, что этот рост в основном контролируется двумя параметрами: степенью растяжения листа и глубиной лазерных надрезов.

Обратимое управление формой и наклонные столбики

Ключевая особенность SIPS — обратимость. Когда напряжение в мембране снимают, окружающий материал расслабляется и вновь утолщается, поэтому столбик опускается, а поверхность становится почти плоской. Повторное растяжение листа снова заставляет тот же столбик появиться за секунды. Массивы таких столбиков сохраняют своё расстояние и общую форму в течение множества циклов растяжения–освобождения, показывая, что процесс механически стабилен, а не представляет собой одноразовую деформацию. Резав больше с одной стороны, чем с другой, авторы также могут получить столбики, наклонённые в заданном направлении вместо вертикальных. Такой наклон вызывается неравномерным снятием напряжения по разные стороны столбика и тонко настраивается изменением силы и положения лазерного штриха.

От микрокогтей до настраиваемого Брайля

Поскольку столбики высокие и тонкие, они особенно эффективно взаимодействуют с мелкими объектами и с прикосновением человека. Исследователи собрали когтеобразные структуры из нескольких внутрь наклонённых столбиков, которые могут захватывать и отпускать стеклянные микрошарики по требованию просто путём растяжения или расслабления листа. Они также создали символы Брайля из массивов столбиков. Изменяя степень растяжения мембраны, можно непрерывно регулировать как расстояние между точками, так и их высоту — делая паттерн более или менее ощутимым. В тестах со школьниками, изучающими Брайль, у каждого учащегося выявлялся свой уровень растяжения, при котором он надёжно распознавал символы, что указывает на возможность адаптировать обучение под чувствительность и навыки человека. В другой демонстрации направления наклона столбиков использовали для кодирования фразы в виде тактального кода наподобие азбуки Морзе: в растянутом состоянии «сообщение» было читаемо глазами или прикосновением; в расслабленном — столбики растворялись в поверхности, оставляя лишь едва заметные следы лазера.

Почему это важно для будущих умных поверхностей

В целом работа показывает, что простые операции — растяжение, лазерное штрихование и отпускание обычных мягких материалов — позволяют получать точные микроструктуры с большим аспектным отношением, которые вырастают и исчезают по требованию. В отличие от химических методов роста, SIPS быстр, использует широко доступные эластомеры и избегает сложных рецептур. Поскольку техника совместима с множеством материалов и теоретически может быть сочетана с добавлением частиц для дополнительных оптических, электрических или магнитных функций, она предлагает мощный новый путь к адаптивным поверхностям, тактильным дисплеям и другим мягким микроприборам, которые физически перенастраиваются в ответ на растяжение.

Цитирование: Zhang, Y., Zhang, N., Wu, D. et al. Stretch-induced reversible self-growth of high aspect ratio microstructures scribed by femtosecond laser. Nat Commun 17, 2124 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70098-8

Ключевые слова: умные поверхности, микроструктуры, тактильный дисплей, эластичные полимеры, лазерная обработка