软材料表面失稳力学分析与实验

软物质力学是近年来国内外一个热点研究领域。本项目着眼于软材料的表面失稳现象，重点关注一些胶体在化学因素作用下以及软组织受限生长导致的表面失稳问题。首先，本研究拟在连续介质力学框架内，基于现有的弹性生长模型，考虑生物化学等因素的影响定义新的有清晰物理意义的生长张量，并建立相应的可分析一些生化因素导致的软物质材料失稳的统一的理论模型。进一步将发展有效的数值方法分析软材料表面失稳及失稳形貌演化。通过理论分析与数值模并结合相应的实验，研究若干典型软材料表面失稳现象，揭示失稳形貌演化和某些生化因素的改变及系统几何与物理参数之间的关系。研究结果一方面有望为制备具有特定功能的表面形貌提供理论依据，另一方面可望为理解一些生物器官和组织的表面形貌改变与某些疾病与衰老的之间的关联提供有益参考。

软物质一般由大分子或基团构成，在自然界和工程中广泛存在。因其具有较低的弹性模量，这类材料对于环境改变和外界刺激非常敏感，容易失去稳定性，导致表面起皱等现象的发生。一方面，表面失稳会致使材料失去原有功效，必须通过改善材料设计或服役环境来避免；另一方面，表面失稳也可以加以利用，如材料力学性质测量、具有特定功能的表面形貌的制备和一些功能器件的制作等。本项目基于连续介质力学框架针对软材料在各种激励下的大变形和表面失稳行为开展了理论分析，数值模拟和实验工作。主要完成了以下内容：1、针对薄膜-软基系统表面失稳问题，建立了可考虑基底非线性变形和预应力影响的薄膜-软基系统表面失稳后屈曲理论分析模型，揭示了该类系统后屈曲过程中可能出现的多次分岔和形貌演化规律。理论分析结果成功解释了已有实验，同时预报了一些新的失稳模式，为进一步的实验研究提供了指导。相关工作发表在固体力学领域顶级期刊 《JMPS》和英国皇家学会会刊《Proc. R. Soc. A》。其中2012年发表在《JMPS》的论文入选ESI高被引论文。2、基于Koiter理论建立了考虑曲率影响的核壳结构屈曲和后屈曲分析模型，该模型能够解释实验中观察到的后屈曲失稳形貌演化特征，并能为相关实验提供指导，研究结果发表在《JMPS》。3、建立了可考虑薄膜面内尺寸影响的薄膜在软基底上失稳分析模型，并得到简介的解析解合理解释实验现象，研究结果发表在《JMPS》。4、基于屈曲和后屈曲理论分析，结合机械加载和化学势驱动制备出了一系列具有特殊性质（如各向异性粘附、光学）的表面斑图。上述研究工作发表在《Soft Matter》和《Langmuir》等期刊。5、理解软材料的大变形和表面失稳行为需要对其本构及本构参数有清楚的认识，为此本研究发展了软材料表征测试平台和相应测试方法，相关工作发表在《JMPS》，《BMMB》和《Med. Image Anal.》等期刊。.受本项目资助，已在相关领域知名国际期刊发表（含接受待发表）SCI论文24篇，包括在《JMPS》发表论文4篇，《Soft Matter》4篇，上述已发表论文中有2篇入选ESI高被引论文。另有4篇和本项目相关的论文已经投稿到国际期刊，目前在评审中。