軟物質廣泛存在於日常生活中。多數生物組織由軟性物質構成，在某個應力下容易發生變形。軟物質的自由表麵在壓應力下會發生大變形，導致形貌發生複雜變化，產生如同“手風琴風箱”般的形變。當壓應變足夠大時，原自由表麵會彎折成為褶皺，形成折疊的溝穀，最終成為互相接觸的表麵。壓縮力在生物組織中造成的褶皺非常常見，如同大腦的腦溝，或者彎曲手肘時的表皮折疊。這類褶皺通常在軟物質表麵保持一種固定的皺痕。

先前理論的局限

盡管這種特征隨處可見，關鍵的科學問題仍未完全闡明：為什麽應力移開後，皺痕仍然保留？為什麽相同的材料表麵受到均勻壓縮後，褶皺總會在某些特定位置產生？

先前通常用紙張的折疊或揉搓機製來解釋軟物質受力後形成永久褶皺的機理。持續的弱化或破壞被認為改變了材料的局部力學性能，導致在某些位置容易形成皺痕。在折疊的兩個麵之間的黏結力也被認為可能導致不同表麵黏和在一起，從而即使應力移去，構型仍保持原樣。然而，無論是塑性變形，還是黏結力理論，都難以解釋褶皺形成對液體—固體表麵張力的極端敏感性。

van Limbeek團隊的實驗與新發現

德國馬普所Michiel van Limbeek團隊的研究揭示了褶皺永久化的新機製：反複周期形變的軟物質最終形成皺痕的原因是液體浸潤過程中折疊與解折疊的不對稱性。

其實驗設計如下：將一層軟聚合物膠質鋪在預拉伸的橡膠片上，並浸沒在具有不同表麵張力的液體中。當橡膠片上的應力逐漸釋放時，它們均勻地擠壓膠質層（每次壓縮步長1μm）。最終，膠質層表麵開始彎曲，直到彎曲的兩側相互接觸並形成一個褶皺。逐漸減小壓力（即鬆弛過程）後，觀察到浸沒在不同液體中的膠質層表麵：有些恢複平整，有些則保留了褶皺。

深入觀測與滯後現象

團隊使用共聚焦顯微鏡觀察膠質表麵形貌，直接測量膠質在褶皺上的延展程度和角度。通過在膠質表麵附著熒光標記的納米顆粒，能夠連續監測褶皺兩側相互接觸和解離的過程。

實驗清晰地顯示了褶皺的形成（壓縮）與消失（鬆弛）之間存在滯後現象。在給定的壓力下，褶皺的深度取決於膠質是處於循環中的壓縮還是恢複過程。如果整個體係的動力學狀態單純由褶皺兩側的黏結力控製，結果或許可以預期。然而，僅黏結力理論無法解釋當膠質浸沒在不同液體中時，加壓和減壓全過程表麵形貌的顯著差異。

核心機製：Y/T轉變與表麵張力作用

觀測揭示了關鍵形狀差異：

•在壓應力狀態下：褶皺的截麵呈現字母Y的形狀。Y的柄部代表膠質的自主接觸區域，Y的兩臂則表示折疊的表麵。

•當壓力釋放時：褶皺的形狀轉變為類似字母T，表麵的彎曲迅速轉變為緊貼自接觸區域的形態。

這種Y形到T形的轉變表明，當表麵張力增加時，褶皺解折疊（消失）過程所需的能量比形成褶皺時要多。這一能量差，除了可能用於克服折疊麵之間的黏結力外，更重要的是需要克服液體在軟固體表麵的浸潤相關的能量壁壘（表麵張力作用）。

類比與統一機製：接觸線釘紮

在這一係統中，表麵張力所扮演的角色與常見的液-固界麵中的接觸線釘紮(contact-line pinning)機製類似。當液-氣界麵與固體表麵接觸時（例如桌麵上的液滴），在固-液-氣三相連接處形成所謂的“接觸線”。桌麵與液-氣界麵切線之間的夾角（接觸角）表征表麵張力平衡狀態。如果未達平衡，應力會驅動接觸線移動。然而，由於表麵的非均勻性，接觸線的運動往往不是平滑的，它會被表麵局部的不規則性所阻礙或“釘紮”，導致斷續的移動（滯後）。

實驗結果表明，這種接觸線的釘紮機製正是導致軟物質表麵褶皺形成和保留的關鍵原因。

意義與應用

作為表現出強烈非線性特征與大變形行為的體係，對褶皺及界麵折疊的研究已成為有力的工具。它有助於解釋一些日常現象，例如：為什麽幹燥的水果會起皺？

這一關於表麵褶皺形成的新機製（液體浸潤接觸線釘紮機製）具有重要的實際應用價值：

1.可折疊軟機器人裝置：理解和控製褶皺模式有助於設計和製造具有預定變形能力的柔性機器人。

2.表麵工程與液體輸送：可以預期通過操縱軟物質的表麵張力來“編程”褶皺的模式，從而精確控製液體在這些結構表麵上的定向傳輸（如微流控）。

3.形貌引導與控製：可以利用該機製控製軟物質表麵的形貌演變，將表麵的隆起或凹陷引導到特定的、所需的位置和形狀。

總結

Van Limbeek團隊的研究揭示：表麵張力通過液體在（初始）不均勻表麵的浸潤和接觸線釘紮機製，是軟物質壓縮後形成並保留褶皺的核心原因。這一機製不僅適用於聚合物凝膠的實驗模型，同樣可以解釋水果表皮、皮膚、甚至大腦等生物組織中褶皺的形成。