FUTURE | 远见 闵青云 选编
近期，普林斯顿大学P.-T. Brun团队在可固化的弹性体中利用瑞利-泰勒不稳定性，通过重复的涂覆-流动-固化过程产生褶皱的细长结构，形成了形状类似于钟乳石和冰柱等地质现象的结构。作者将其命名为「flexicles」。作者研究了混沌与秩序的微妙结合，以及Flexicle结构、形状、排列以及最终的变形性。该工作以题为「Stacked Rayleigh-Taylor Instabilities Grow Drops into Soft Stalactitelike Structures」的论文发表在最新一期Physical Review Letters上。
这种特殊的排列图案归因于不稳定性的传播性质，它首先在板边接触线处形成圆形细流，然后逐渐侵入样品的其余部分。细流以相同的顺序分裂成液滴，锁定为一种镶嵌图案，这种镶嵌图案承载着其形成动力学和样品几何形状的记忆。在进一步的涂层中，Flexicle逐渐生长，这种排列大部分被保留。
在图3(a)(i)中，作者展示了在重力作用下形成的典型Flexicle的横截面照片。Flexicle的底部是一个悬滴。关注后续涂层（N>1），作者发现每一层由一个薄膜组成[在图3(a)(ii)中显示为灰色]，该薄膜连接到一个较厚的悬滴区域（黑色）。这种过渡发生在距离顶点大约s ≃ 5毫米的位置，如图3(b)所示。作者还观察到涂层次数与顶点处层间间隙h的大小之间没有明显的相关性。根据剩余残留物的体积，会形成大滴和小滴。相比之下，薄膜厚度由于液体流失而持续减小，使得所有涂层上的层状结构非常均匀（图3c）。
最后，作者考察了这类结构的可变形性。为此，作者开展了一系列Flexicle压痕测试。图4(a)(i)展示了压头首次与最高的Flexicle接触时的样品，而其他Flexicle保持自由状态。图4(a)(ii)展示了大多数Flexicle被变形时的样品，通常向同一方向弯曲，这是在受限配置中相互作用所引发的自发有序现象。
图4(c)展示了这些Flexicle如何作为与平面基底接触的基本力传感器。在这种极限情况下，力是通过计算Flexicle的数量来估计的。如图所示，在探索的范围内，压痕期间记录的力与与压头接触的Flexicle的比例几乎呈线性变化。作者的模型在接触的Flexicle达到40%之前与实验相符。在这个点之前，每个Flexicle接触时的力增加通常为δF ≃ 0.7 N，这一增量与压头的大小几乎无关。这些步骤使作者能够自信地估计高达约35 N的力。这个值随着压头面积的增加而线性增加，而不会牺牲准确性。作者通过使用在更大加速度场中获得的小型Flexicle来提高方法的灵敏度，如图4(d)中的压痕响应所示。在增加表面Flexicle密度的情况下，实现了较低的力和较低的斜率（更高的精度）。因此，该方法允许调整具有受控多分散性的薄弹性结构的刚度。
该研究通过在可固化的弹性体中利用瑞利-泰勒不稳定性，通过堆叠薄膜不稳定性的实例来产生柔软、细长的结构，其形状类似于钟乳石和冰柱等地质现象，其分步增长的方式模仿了双壳类和腕足类动物利用局部质量沉积进化的方式。理想化的实验重现了这些自然过程形成的复杂形状的一些特征，并为在模式形成中平衡秩序与无序提供了解释。具体来说，尽管Flexicle的形成看起来无序，但结构的平均高度随着涂覆次数的增加而线性增长，最终收敛成一个由悬滴封顶的圆锥形；并且尽管离阈值还很远，但这些结构在表面的排列可以通过线性稳定性分析论证很好地捕捉。
文章链接:
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.198201
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