近日，杨浩教授课题组孟彦成副研究员获得瑞典国际先进材料学会 (International Association of Advanced Materials, IAAM)“青年科学家奖 (Young Scientist Award)”，以表彰他在“聚合物薄膜变形”领域做出的重要贡献。并应邀在第61届先进材料大会(61st Assembly of Advanced Materials Congress)做了题为“Universal scaling law for wrinkle evolution in stiff membranes on soft films”的获奖报告。
IAAM（注册号802503-6784）是著名的非营利国际学术组织，成立于2010年，总部设在瑞典。该组织的主要目标是推动材料科学在全球范围内的卓越发展；聚集了全球材料领域的优秀科学家，已成为各类领军人才的聚集地，目前拥有来自139个国家的8万多名会员。“IAAM青年科学家奖”由学会根据研究人员近年在先进材料领域所做的贡献，在世界范围内遴选产生；评选过程包括同行专家提名、学术委员会评审、线下或线上学术讲座、最终评议与颁发等多个环节，授予做出高质量成果、在自然科学领域产生重要影响的职业早期研究人员。
孟彦成副研究员主要从事聚合物薄膜变形、软物质物理方向的研究工作。以第一作者身份在 Cell 大子刊 Matter 等期刊成系列的发表论文 10 篇(近 5 年 8 篇)。其中代表性的成果是：提出了软硬双层膜体系薄膜变形的标度律，揭示了薄膜参数对薄膜变形的选择行为，开启了基于材料参数编程薄膜变形的先河；基于标度律实现了可控的薄膜大变形与断裂，提出了适用于低维材料的新一代裁剪方案，构筑了高精度全柔性复合光栅。授权专利 2 项。2020 年入选第五届“博士后创新人才支持计划”，主持“国家/江苏省青年基金”在内的纵向项目 5 项。获 “IAAM Young Scientist Award”，中国博士后基金会“博士后创新人才支持计划优秀创新成果”奖。担任国际期刊 Soft Science 青年编委、Coatings 客座编辑、Advances in materials 编委。
代表性创新成果简单介绍如下：
创新点1：提出了软硬双层膜屈曲变形的标度律(Matter, 6, 1-11, 2023)
研究背景。相比单层膜，软硬双层膜更易加载应变、更易操控，是探索薄膜变形的理想载体，它的表面失稳问题正是近年来薄膜变形方向的研究重点。受挤压时，硬质薄膜一侧易发生变形，产生正弦状 wrinkle, 凹陷式 fold,塌陷式 crease，和凸起式 ridge 四种基本屈曲单元，统称为屈曲结构。薄膜变形不仅存在从wrinkle到fold再到crease的形态变化，还存在wrinkle到period-double(由两个wrinkle合并而来)再到period-quadruple(由两个period-double合并而来)的模态变化。模态对应变形失稳阶次，例如，一阶失稳就是wrinkle结构，而period-double和period-quadruple分别对应2阶和4阶失稳。随着变形的推进，薄膜变形的形态与模态变化往往耦合发生，使得变形行为更加复杂、多变，尽管有大量实验和理论研究，仍然缺乏理解和统一描述。
基本内容：基于系统的实验研究，孟彦成发现并证实薄膜的模态变化(失稳阶次)完全由薄膜参数本身决定。具体而言，任意双层膜体系，薄膜变形的最终模态(失稳阶次 n)由两层膜所有参数耦合而成的复合参数 t 唯一决定，且二者之间存在类量子化的台阶式依赖关系，如图 1a 所示，这就是薄膜变形的标度律。其意味着，只有当薄膜的参数取值达到特定值之后，薄膜变形才会进入下一个阶次(新的模态)，否则，不管应变多大，屈曲结构都会永远局限在某一阶次。总结可知，随着应变增大，变形从wrinkle到fold再到crease，应变决定薄膜形态变化；随着薄膜复合参数的增大，最终的变形模态或者最终的失稳阶次从1阶到2阶再到4阶…，材料参数决定薄膜模态变化，如图1b所示。至此，我们给出了统一的薄膜变形图像。
图 1: 软硬双层膜屈曲变形的标度律：屈曲变形的最终阶次 n 与复合材料参数 t 间存在台阶式依赖关系示意图。n 对应屈曲演化终止形态包含的一阶褶皱的数目；t是耦合了两层薄膜的厚度、模量以及泊松比的复合参数。a) 给出了 n 与t间台阶式依赖关系，以及不同的最终阶次下屈曲结构的演化过程。b)展示了变形的最终阶次分别为 1, 2, 4 时,屈曲结构的演化过程,t1和 t2代表两个临界 t值。
科学价值：标度律揭示了材料参数对薄膜变形的选择行为，具有重大的科学价值
揭示了一条全新的薄膜变形规律
标度律表明薄膜变形存在多条不同的演化路径，具体遵从哪条路径，由薄膜本身的参数决定。当某一薄膜体系给定之后，该体系的变形路径已经确定；最终的变形阶次或者变形结构与薄膜所有参数耦合得到的复合参数存在标度律关系，即最终能出现的屈曲结构由薄膜参数给定。
呈现了全新的变形概念
传统观点认为膜的变形由应变决定。标度律表明薄膜参数控制薄膜变形的模态，而应变只能影响变形的形态；任意薄膜的最终变形结构由薄膜参数本身决定，应变只是起到了激发的作用，所以，变形与光电性质类似是薄膜的基本物性之一。
为微型器件的变形设计提供了理论支持
基于软硬双层膜体系，改变软性薄膜的参数，即可调控硬质薄膜的变形，开启了基于材料参数编程薄膜变形的先河，也为微型器件的变形设计提供了理论指导。同时，标度律具有普适性，可以应用于微纳米尺度的双层膜，也适用于宏观体系，意味着标度律是所有双层膜体系变形设计的理论基础
为薄膜变形的基础研究打开了新大门
如同“还原论”的推进需要持续降低物质的大小，标度律发现于微纳米尺度的双层膜体系，这一结果启示我们：变形规律的进一步探索需要持续降低薄膜尺度。在微纳甚至单原子层、单原子链尺度，我们有望发现更基本的屈曲单元与屈曲演化路径，甚至全新的变形与材料参数依赖关系。
成果影响：发表后，Cell出版社做了作者专访，详细解析、深入报道了屈曲失稳标度律，也得到“澎湃新闻”等国内多家一流媒体的报道；同济大学聂国华教授等人近期在固体力学顶刊发表论文 (Int. J. Solids Struct. 294 (2024) 112744),他们认为孟彦成利用一个简单的复合参数为薄膜变形提供了统一的标度律。目前为止孟彦成受邀作专题报告三次，一次国际会议报告(61st Assembly of Advanced Materials Congress)，时长20分钟。基于该成果，瑞典国际先进材料协会授予孟彦成“青年科学家奖”。
创新点2.提出了适用于低维材料的新一代裁剪方案(Mater. Horiz. 10, 3135-3139, 2023)
研究背景：裁剪纳米膜是微型器件构筑的关键工艺之一，传统的离子/电子束刻蚀工艺容易引入粒子污染且效率低下，特别是针对诸如单原子层、单原子链的低维材料，上述粒子污染显著且影响巨大。所以，要构筑高性能的微型器件，必须开发清洁、高效的新一代低维材料裁剪方案。
基本内容：将软硬双层膜从硬质基底上垂直剥离，由于剥离弯折导致的挤压作用，弯折区会依照标度律出现一系列屈曲变形，最终的大变形导致硬质薄膜周期化断裂。同样依照标度律，改变软性薄膜参数，即可调制硬质薄膜的断裂周期。基于此，孟彦成实现了软膜表面硬质薄膜断裂的路径控制与周期调制，进一步提出了基于可控断裂的纳米膜裁剪方案。通过两次不同角度的剥离操作，同一硬质薄膜可以被裁剪成诸如菱形、长方形等多种断裂阵列 (图 2a)。另外，结合双层膜体系与剥离操作，精准裁剪了包括单层石墨烯在内的多种硬质薄膜 (图 2b-d)。证实了断裂裁剪的普适性与可操作性。
图2:依照标度律，同一种氧化硅薄膜被裁剪成多种不同的断裂阵列，以及"有机硬质薄膜/金/石墨烯"多种膜的裁剪实例.
科学与应用价值：有别于传统的离子刻蚀工艺，断裂行为清洁、高效；剥离操作简单、易行，基于此，有望发展出新一代低维材料裁剪技术。
创新点3.基于低维薄膜材料的全柔性复合光栅 (Adv. Opt. Mater. 7, 1801017, 2019)
领域背景：作为光束、信息的调控单元，光栅的性能往往是比较单一的，倘若其周期等特征尺寸可以任意调制，则可以极大扩宽单个光栅的应用范围，柔性光栅的出现实现了这一点。但是，受制于传统制备工艺的限制，现有柔性光栅的特征尺寸(周期)难以持续降低，无法满足微型器件构筑的要求。基于软硬双层膜体系屈曲变形行为，有望制备出突破传统光栅周期极限的正弦柔性光栅。然而，硬质薄膜不可避免的易碎属性，导致此类光栅包含大量的随机裂纹以及相伴而生的低精度，使得其没有实际应用价值。
图 3: 正交的矩形与正弦复合光栅。a) 平行等宽的氧化硅薄膜断裂阵列，氧化硅膜沉积在柔性PDMS薄膜上，ts/tm是软/硬膜厚度。b) 垂直断裂方向上拉伸引起的正交正弦与矩形光栅，百分数是拉伸量。c)实验和计算得到的栅衍射花样。
基本内容：基于软硬双层膜的屈曲变形以及可控断裂裁剪，孟彦成首次构筑了高精度全柔性复合型光栅。首先，基于软硬双层膜的屈曲大变形，并结合剥离操作，制备出硬膜的平行等宽断裂阵列 (图3a)，主动引入周期化断裂阵列，避免随机裂纹的出现，该阵列也是宽度可调的周期化凹槽，是典型的矩形光栅；其次，垂直于断裂的方向拉伸双层膜，即可构造出正交的凹槽与褶皱，这就是正交矩形和正弦复合光栅(图3b)。此类光栅的特征尺寸由薄膜材料参数本身决定，选用特定双层膜体系，结构周期(凹槽间距与正弦结构表面周长)可以持续下降至 1 纳米以下，有望大范围突破传统光栅周期的极限。进一步推导了此类光栅各衍射束的光强 I(x,y,z) 与效率 表达式，为此类结构的实际应用奠定了全方位的基础
(2)
λ/n 是入射光波长/折射率，N/q 是整数，a/d 是褶皱振幅/周期，A/D/H是凹槽的宽度/周期/深度。
科学价值：与传统光栅相比，该柔性复合光栅的突出特点是所有结构参数拉伸可调，同时彻底解决了软硬双层膜基屈曲光栅的裂纹缺陷问题，在光电信息领域有了实际的应用价值。最重要的一点是，此类光栅的周期大小由薄膜参数决定，选择合适的材料体系，光栅周期有望大范围突破传统工艺的极限，展示了薄膜变形在微型器件构筑领域的重要应用价值。韩国的 Jonghwa Shin和 Seokwoo Jeon教授在他们的综述论文(Nanophotonics 2022,11,2737)引用8张图、近1000字非常详细地介绍了该成果，给予了正面评价
总结：薄膜及基于低维材料的微型器件容易发生各类变形，孟彦成所开展的基础研究，有望揭示薄膜等低维体系的基本变形规律，构建完备的变形理论，为薄膜以及微型器件的变形设计提供理论支持；所开展的实践探索，展现了薄膜变形在微纳制造等工程技术领域的实际应用价值，特别是基于变形构筑的微型光栅，展现出了突破传统器件制备工艺极限的潜能。基础与实践的结合将全面助力解决芯片光刻难题
