软物质广泛存在于日常生活中。多数生物组织由软性物质构成，在某个应力下容易发生变形。软物质的自由表面在压应力下会发生大变形，导致形貌发生复杂变化，产生如同“手风琴风箱”般的形变。当压应变足够大时，原自由表面会弯折成为褶皱，形成折叠的沟谷，最终成为互相接触的表面。压缩力在生物组织中造成的褶皱非常常见，如同大脑的脑沟，或者弯曲手肘时的表皮折叠。这类褶皱通常在软物质表面保持一种固定的皱痕。

先前理论的局限

尽管这种特征随处可见，关键的科学问题仍未完全阐明：为什么应力移开后，皱痕仍然保留？为什么相同的材料表面受到均匀压缩后，褶皱总会在某些特定位置产生？

先前通常用纸张的折叠或揉搓机制来解释软物质受力后形成永久褶皱的机理。持续的弱化或破坏被认为改变了材料的局部力学性能，导致在某些位置容易形成皱痕。在折叠的两个面之间的黏结力也被认为可能导致不同表面黏和在一起，从而即使应力移去，构型仍保持原样。然而，无论是塑性变形，还是黏结力理论，都难以解释褶皱形成对液体—固体表面张力的极端敏感性。

van Limbeek团队的实验与新发现

德国马普所Michiel van Limbeek团队的研究揭示了褶皱永久化的新机制：反复周期形变的软物质最终形成皱痕的原因是液体浸润过程中折叠与解折叠的不对称性。

其实验设计如下：将一层软聚合物胶质铺在预拉伸的橡胶片上，并浸没在具有不同表面张力的液体中。当橡胶片上的应力逐渐释放时，它们均匀地挤压胶质层（每次压缩步长1μm）。最终，胶质层表面开始弯曲，直到弯曲的两侧相互接触并形成一个褶皱。逐渐减小压力（即松弛过程）后，观察到浸没在不同液体中的胶质层表面：有些恢复平整，有些则保留了褶皱。

深入观测与滞后现象

团队使用共聚焦显微镜观察胶质表面形貌，直接测量胶质在褶皱上的延展程度和角度。通过在胶质表面附着荧光标记的纳米颗粒，能够连续监测褶皱两侧相互接触和解离的过程。

实验清晰地显示了褶皱的形成（压缩）与消失（松弛）之间存在滞后现象。在给定的压力下，褶皱的深度取决于胶质是处于循环中的压缩还是恢复过程。如果整个体系的动力学状态单纯由褶皱两侧的黏结力控制，结果或许可以预期。然而，仅黏结力理论无法解释当胶质浸没在不同液体中时，加压和减压全过程表面形貌的显著差异。

核心机制：Y/T转变与表面张力作用

观测揭示了关键形状差异：

•在压应力状态下：褶皱的截面呈现字母Y的形状。Y的柄部代表胶质的自主接触区域，Y的两臂则表示折叠的表面。

•当压力释放时：褶皱的形状转变为类似字母T，表面的弯曲迅速转变为紧贴自接触区域的形态。

这种Y形到T形的转变表明，当表面张力增加时，褶皱解折叠（消失）过程所需的能量比形成褶皱时要多。这一能量差，除了可能用于克服折叠面之间的黏结力外，更重要的是需要克服液体在软固体表面的浸润相关的能量壁垒（表面张力作用）。

类比与统一机制：接触线钉扎

在这一系统中，表面张力所扮演的角色与常见的液-固界面中的接触线钉扎(contact-line pinning)机制类似。当液-气界面与固体表面接触时（例如桌面上的液滴），在固-液-气三相连接处形成所谓的“接触线”。桌面与液-气界面切线之间的夹角（接触角）表征表面张力平衡状态。如果未达平衡，应力会驱动接触线移动。然而，由于表面的非均匀性，接触线的运动往往不是平滑的，它会被表面局部的不规则性所阻碍或“钉扎”，导致断续的移动（滞后）。

实验结果表明，这种接触线的钉扎机制正是导致软物质表面褶皱形成和保留的关键原因。

意义与应用

作为表现出强烈非线性特征与大变形行为的体系，对褶皱及界面折叠的研究已成为有力的工具。它有助于解释一些日常现象，例如：为什么干燥的水果会起皱？

这一关于表面褶皱形成的新机制（液体浸润接触线钉扎机制）具有重要的实际应用价值：

1.可折叠软机器人装置：理解和控制褶皱模式有助于设计和制造具有预定变形能力的柔性机器人。

2.表面工程与液体输送：可以预期通过操纵软物质的表面张力来“编程”褶皱的模式，从而精确控制液体在这些结构表面上的定向传输（如微流控）。

3.形貌引导与控制：可以利用该机制控制软物质表面的形貌演变，将表面的隆起或凹陷引导到特定的、所需的位置和形状。

总结

Van Limbeek团队的研究揭示：表面张力通过液体在（初始）不均匀表面的浸润和接触线钉扎机制，是软物质压缩后形成并保留褶皱的核心原因。这一机制不仅适用于聚合物凝胶的实验模型，同样可以解释水果表皮、皮肤、甚至大脑等生物组织中褶皱的形成。