山西
薄膜的碎裂不僅是材料失效的典型表現形式，更成為調控功能器件性能的關鍵技術路徑，在柔性傳感器、納米流體通道及光刻模板等領域展現出獨特的應用價值。其中，碎片的尺寸分布、幾何構型及空間排列等形貌特征，直接決定了器件的力學響應特性、物質傳輸效率及光學調制能力等核心性能指標。然而，當前研究主要聚焦于通過材料組成設計或應力加載實現網狀裂紋網絡的全局調控，而對于碎片化圖案的局部編程仍缺乏有效策略。這種局限性嚴重制約了多功能集成器件的精準設計能力，尤其在柔性電子領域，局部可控的碎片化結構對實現高靈敏度應變傳感、可拉伸電路互聯及生物相容性界面適配具有重要意義。因此，發展可空間編程的碎裂技術，建立碎片幾何特征的定量調控方法，已成為突破柔性電子等前沿技術瓶頸的關鍵科學問題。
在生物系統中，一些具備厚角質層的動物（如鱷魚、犀牛與恐龍）通過碎裂形成鱗片結構以實現機械能耗散。其皮膚圖案的形成受基因表達、材料屬性（厚度、硬度）及生物活動引發的形變共同調控，且基底曲率對裂紋網絡的空間分布具有顯著調控作用。典型例證可見于鱷魚頭部：低曲率扁平臉頰區域呈現小尺度、多邊緣的鱗片特征，而高曲率頭部區域則形成大尺度、少邊緣的鱗片排列。這種曲率相關的形貌差異揭示了曲率與碎片形貌間的定量關聯。受此啟發，清華大學馮西橋教授團隊提出了一種力學調控策略，通過改變基底曲率實現裂紋網絡形態的精準調制，從而建立曲率參數與碎片尺寸、幾何特征間的定量標度關系。該策略為設計具有空間編程能力的表面結構提供了新范式。
受動物皮膚開裂啟發的曲率調控力學策略。
研究團隊通過界面內聚近場動力學模擬（詳細參見：Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2024, 191, 105757）與實驗相結合的方法，系統探究了曲面膜基系統的碎裂行為。結果表明，裂紋網絡呈現分級演化的特征。為闡釋曲率對碎裂形貌的調控機制，研究者們構建了分級剪滯模型，揭示了曲率影響基底等效剛度，并進而改變薄膜內應力與應變能水平的物理機制。進一步地，研究者們分別建立了碎片尺寸和碎片形狀與曲率之間的標度關系，并發現：隨著基底曲率半徑的減小（可通過壓縮柔性基底引起褶皺實現），碎片尺寸逐漸增大，同時碎片邊數逐漸減少。這些標度律在先進電子器件制造、古生物形態重建及新型分級表面結構設計等領域具有潛在應用價值，為功能表面的曲率-形貌協同設計提供了理論支撐。
薄膜分級碎裂的物理機制
碎裂尺寸對曲率的依賴性
碎裂形狀對曲率的依賴性
力學策略的應用
該研究成果以“Bioinspired Strategy for Controlling Crack Network Morphology on Curved Films”為題發表在材料領域著名學術期刊Advanced Functional Materials上。論文第一作者為清華大學航天航空學院博士生楚仕源，通訊作者為清華大學航天航空學院馮西橋教授，論文合作者還包括清華大學航天航空學院博士后李爽與白金帥，該研究成果得到了國家自然科學基金的資助。
近年來，清華大學馮西橋教授團隊在膜基系統斷裂的數值方法開發與生物力學應用方面開展了系列工作。團隊發展了界面內聚近場動力學方法，用于模擬混合模式界面脫粘，以及研究開裂與脫粘的耦合效應。揭示了調控動物皮膚模式的形貌力學機制，并給出了預測皮膚形貌的無量綱參數與標度律。相關工作發表于力學領域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics and Solids與力學領域權威期刊Engineering Fracture Mechanics。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202514054
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105757
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2025.106167
https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.111108
https://doi.org/10.1080/15376494.2025.2519945
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