材料表面“缺陷”有望变身智能结构

材料表面出现皱纹或凹痕，通常被视为老化、损伤或变形的信号。但发表在《纳米-微米快报》上的一篇合作综述论文《利用表面不稳定性制造功能材料：力学、形态及新兴应用》指出，这些传统意义上的“缺陷”未来有望被设计成具有特定功能的智能表面。

岭南大学等机构的研究人员提出，可以将材料中自发形成的表面纹理与人工智能（AI）辅助设计方法结合，用于开发新一代功能材料。

从“损伤标志”到“功能结构”

论文由岭南大学吴介仪跨学科学院（WJYSIS）、北京航空航天大学和东北大学的研究团队共同完成。团队系统梳理了国际上相关功能材料研究的进展，并提出了一个新的技术设计框架。

这一框架的核心，是把以往被视为老化或损伤标志的表面特征——如微观皱纹、折叠和局部变形结构——重新定义为可被精确调控的“功能结构”。

研究人员指出，通过AI辅助设计，科研人员可以先设定目标功能，再利用算法优化表面皱纹和折叠的形态与分布，并控制其在机械力、温度变化、光照、湿度或化学刺激下的响应方式。借此，有望开发出具备防伪、信息加密、防水、自清洁以及仿生生物医用等多种功能的新型材料。

超高安全性的“人工指纹”防伪

团队强调，这类新材料融合了材料力学、表面结构设计与器件级应用，具有广泛的应用前景。其表面纹理往往包含微米级和纳米级的复杂图案，极难被精确复制，可用来构建高度安全的防伪“人工指纹”。

已有研究表明，这种基于表面不稳定性形成的结构，其可承载的信息密度可达到人类指纹的约100亿倍，大幅提升了伪造门槛和防伪可靠性。

支持人工器官与组织工程

在生物医用方向，研究团队指出，水凝胶等软材料已经被用于制造具有折叠和皱褶结构的人工组织。例如，模拟大脑皮层皱褶、黏膜组织以及器官表面形态的结构，为人工器官和组织工程提供了新的设计思路。

通过精确控制这些表面不稳定结构的形成和演化，有望更好地模拟真实组织的形态和力学环境，从而提升人工器官和组织替代物的功能表现。

促进可拉伸电池与柔性电子发展

研究还指出，表面皱纹和折叠结构同样有助于可拉伸电池和柔性电子器件的设计。例如，在可穿戴电子皮肤系统中，通过合理设计的皱纹结构，可以让传感器在经历大幅拉伸、弯折等机械变形时，仍保持稳定的导电性能和感应灵敏度。

这类结构为柔性电子器件在实际使用场景中的耐久性和可靠性提供了重要支撑。

AI辅助微纳结构制造的优势

岭南大学吴介仪跨学科学院院长、跨学科研究讲座教授陈曦指出，传统的微结构制造方法，如光刻、模具压印和激光加工，往往依赖复杂昂贵的设备、多道工序以及刚性模板，对软性和可拉伸材料并不友好。

相比之下，利用材料自身的力学不稳定性，再结合AI辅助设计算法，可以在不依赖复杂硬模板的前提下，更高效地生成和调控微纳结构，在成本、工艺灵活性以及适用材料范围方面都具有明显优势。

陈曦表示，过去几十年里，力学研究者投入了大量精力试图消除材料表面的皱纹。然而，当这些不稳定现象的基本力学机理被充分理解后，它们反而可以被转化为具有特定功能的智能材料图案和工程表面结构。

他补充说，希望这项研究能够为香港及大湾区的科研人员和工程师提供新的思路，推动更简单、更低成本的微纳米表面图案制造方法的发展。