通过矢量场引导光刻的应力驱动表面微结构光致重构

用光束塑造表面

我们在自然界看到的许多图案——从山脊到皮肤的皱褶——都源于材料在应力下的弯曲和屈曲。该研究展示了科学家如何利用光本身在一种特殊塑料内部产生并引导此类应力，像塑形软黏土一样雕刻微小的表面结构。这项工作为通过计算机控制的光束可编程微观形貌打开了道路，具有在光学、流体控制和仿生材料等领域的潜在应用。

为什么应力图案很重要

无论在地质学还是生物学中，应力常常决定结构如何生长和重组。当内部力积累时，系统可以通过改变形状来降低能量，打破原有的对称性并产生脊、褶或柱。工程师已经利用热、湿度或机械力来使材料产生皱褶和折叠以形成有用的图案。光作为工具特别有吸引力，因为它可以非接触地瞄准、以高精度图案化，并能快速开关。然而，大多数基于光的图案化仅把光视为能量来源，忽略了光还具有振动方向——即偏振——这一点，而偏振可以将更精细的“指令”传入材料中。

在偏振光下会移动的塑料

团队关注的是偶氮聚合物，这类塑料含有对光敏感的偶氮苯分子。当用可见光或紫外光照射时，这些分子会反复改变构型并重新取向，倾向于与局部光偏振方向成直角排列。由于它们与周围的聚合物链刚性连接，分子的旋转会拖动聚合物链，从而在优先方向上建立机械应力。在由这些材料构成的薄膜中，这种应力可以将表面推高或拉低，形成与光场结构相呼应的微小丘陵和谷地。通过将聚合物制备成微小柱阵列，研究人员可以观察每个柱体像微型机械传感器一样响应并在最终形状中记录局部偏振图案。

从简单拉伸到可编程弯曲

作为起点，作者研究了当均匀线偏振光照射在规则的圆柱形柱阵上时会发生什么。每个柱体看到相同的条件，并沿偏振方向拉伸、横向压缩，从圆形截面变成椭圆形。他们使用一种详尽的物理模型，称为粘塑光对准（Viscoplastic PhotoAlignment，VPA）模型，将聚合物内部的分子重排与由此产生的应力和变形联系起来。该模型预测沿偏振方向存在主拉应力，而垂直方向存在较弱的压缩，导致净的单轴拉伸。实验与计算机模拟高度一致，不仅在最终形状上吻合，也在柱体随光照持续时的演化过程中相符。

用结构化光绘制应力路径

真正的飞跃出现在研究者不再使用均匀光，而是将偏振方向在光束中像可编程地图一样进行形状化时。他们使用空间光调制器构建了一个“数字偏振旋转器”——本质上是一个微小显示器，可以根据计算机生成的图像在每个像素处改变偏振。通过显微物镜投影，该装置可以在仅几十微米宽的区域内施加平滑变化或锐利图案化的偏振方向。柱体内的每一小体积都会受到由局部偏振设定的局部应力轴的影响，使得柱体内部充满引导其弯曲和扭转的弯曲“应力路径”。通过在单个柱体上设计温和的偏振旋转，他们创造出倒U形或S形的柱体；通过将偏振绕以环形分布，则生成“三瓣”或“四瓣”般的花状截面。不同偏振图块的组合产生更奇特的形状，例如三叉状结构，并且相同策略可从单个柱扩展到整个阵列。

从理论到一种新型光刻

这项工作的一个关键成就是VPA模型能够成功预测在广泛光图案下出现的所有这些复杂形状，使其成为真正的设计工具。研究人员现在可以不再依赖反复试验，而是反向工作：指定所需的显微表面形状并计算在一次曝光中产生该形状所需的结构化光场。由于该方法仅依赖偏振控制，它可以与多种现代光调制器配合实现，并随着硬件改进扩展到更大区域或更细的特征。简而言之，作者展示了如何在对光有响应的塑料内部“用应力作画”，利用光的矢量性质作为控制手柄。这种矢量场引导的光刻有望成为未来表面的基础，通过精心雕刻的微观结构来引导液滴、定向细胞生长或操控光和声波。

引用: Januariyasa, I.K., Reda, F., Liubimtsev, N. et al. Stress-driven photo-reconfiguration of surface microstructures via vectorial field-guided lithography. Light Sci Appl 15, 194 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02174-5

关键词: 偶氮聚合物微结构, 偏振光图案化, 应力驱动变形, 矢量光刻, 可编程表面