基于基底粘弹性进行表面皱纹形貌“大尺度”调节

褶皱现象在自然界中随处可见，宏观到高低起伏的山脉，微观到微生物细胞表面都能观察到。材料表面发生褶皱会降低的材料的性能和使用寿命，是材料工程应用中要极力避免的一种危害。但随着该领域研究的不断深入，人们发现褶皱形貌拥有诸多特性和可控性，基于此表面起皱或褶皱形貌被广泛应用材料物性表征、材料表面精细图案的简便构筑等诸多应用领域。而且，研究进一步发现褶皱形貌的存在能够有效提高器件的光电转换效率、增强二极管的发光效率等，使其在光电器件领域呈现巨大的应用前景。以往的诸多研究多致力于调节软硬复合材料体系中的表层硬膜来实现表面褶皱形貌的调控，而对于基于“软”基底层面的褶皱形貌调控研究还相对较少。

近日，印度理工学院坎普尔分校的Rabibrata Mukherjee研究团队通过调节聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底的预固化时间和交联剂比例，基于PDMS基底的粘弹性调节结合表面喷镀金属铝（Al），实现了软硬复合体系（PDMS/Al）表面皱纹形貌的大尺度范围精细调控。

不同基底体系表面皱纹形貌。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队固定交联剂比例（CL ≈ 10.0%），通过改变预固化时间（固化温度T = 80 ℃，t_p:1 min～75 min）调节基底的存储模量（storage modulu，G′）和损耗模量（loss modulu，G′′）。根据PDMS基底G′和G′′随预固化时间的变化趋势，将PDMS基底的粘弹性变化曲线划分为三个区域：当t_p≤2 min时，PDMS基底呈现粘流态；当2 min≤t_p≤7 min时，PDMS基底以粘弹态变化为主；7 min≤t_p≤75 min时，PDMS基底呈现高弹态变化趋势；预固化75 min后PDMS固化完全。不同预固化时间的PDMS基底呈现不同的模量特征，导致在后续喷镀金属铝的热起皱过程中，体系表面呈现出较大尺度范围的皱纹周期，皱纹周期变化范围为从约20 μm低至800 nm。

预固化时间对体系表面皱纹形貌的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究人员进一步对不同区域PDMS/Al体系表面大尺度范围皱纹形貌的形成机理进行了深入探究。研究表明在区域1，损耗模量远高于储存模量，当蒸镀金属时，体系粘性基底界面处存在明显的界面滑移，导致蒸镀过程中的热冷却产生的压缩应力大量耗散，所以皱纹呈现蒸镀过程中生成的皱纹形貌。在区域2，存储模量与损耗模量相当，体系界面滑移幅度明显降低，冷却过程中的部分压缩应力导致皱纹周期降低。在区域3，存储模量远大于损耗模量，在蒸镀过程中无皱纹形成，界面处基本无界面滑移，在冷却过程中体系表面生成小周期皱纹形貌。

PDMS/Al体系表面皱纹形成机理分析。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

基于体系表面皱纹形貌的可调控性，研究团队进行了体系透光性及表面润湿性调控研究。结果表明：基于皱纹周期的精细调控能够实现器件的高透明度或高疏水性，展现出较好的应用潜力。

体系皱纹表面透光度及润湿性调控。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

——总结——

Rabibrata Mukherjee研究团队基于弹性基底粘弹性的调控实现了软硬复合体系表面皱纹形貌的大尺度范围调控。在该研究中，体系表面形成的皱纹形貌区别于以往的基于基底模量调控的皱纹形貌调控研究；该体系喷镀金属形成的表面皱纹形貌在重复加热/冷却处理过程中展现出较好的稳定性。同时，研究表明该体系表面皱纹形貌在高透明度器件和润湿性可调控表面方面具有良好的应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Programming Feature Size in the Thermal Wrinkling of Metal Polymer Bilayer by Modulating Substrate Viscoelasticity

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 23255–23262, DOI: 10.1021/acsami.7b08333

（本文由宗传永-济大供稿）