基于聚合物“掩膜”制备高级皱纹图案

皱纹和皱褶是自然界中材料表面经常存在的一种高级形貌。较薄的硬层膜附着于厚而软的基体上形成软硬复合体系；当体系受到超过一定值的压缩应力作用时，体系表面会发生表面失稳形成正弦状皱纹形貌以保证体系处于能量最低状态。系统的相关研究表明，借助不同的调控手段可对软硬体系表面的皱纹形貌进行精细构筑。表面起皱技术及材料皱纹图案化表面在构筑粘附性/润湿性可调节表面、智能视窗、波导、光学透镜、仿指纹防伪等诸多领域有着广泛的应用。虽然，目前已有诸多的策略构筑各种复杂精细的皱纹形貌，但是，简便精确地构筑在实际应用领域有着巨大需求的尺寸可控、多方向的规整高级皱纹形貌仍然是一项挑战性工作。

近日，韩国科学技术研究所（KIST）Chong Min Koo教授研究团队模拟人手指表面起皱行为，以图案化聚合物膜为掩膜进行聚二甲基硅氧烷（PDMS）选区紫外-臭氧（UVO）处理，结合两步拉伸回缩构筑了具有规整双向结构的高级皱纹形貌。该方法皱纹形貌规整性强、无缺陷，皱纹形貌调控精度高，在实际光衍射调控等方面具有重要的潜在应用。

双向高级皱纹形貌的制备示意图。图片来源：Macromol. Rapid Commun.

基于预拉伸PDMS表面的选区UVO处理，其曝光区域会转化为模量较高的SiO_x层（E～75 GPa）形成PDMS/SiO_x软硬复合体系，释放预拉伸应变后UVO改性区域产生皱纹形貌。该研究中采用镂空的聚合物膜作掩膜，基于聚合物与PDMS基底的范德华力等相互作用，能够实现充分的共性接触，避免了传统无机或金属掩膜导致的“漏光”问题。基于选区边界的限制效应，预应变释放过程中压缩应力的分布比较规律，因此相比于空白对比处其皱纹形貌更加规整、无分支缺陷。同时，研究表明选区区域的表面起皱存在尺寸要求，最小选区区域直径≥100 μm时，区域内才能够形成较明显的皱纹形貌。

一次预拉伸选区曝光形成皱纹形貌的考察。图片来源：Macromol. Rapid Commun.

研究团队进一步对表面已具有选区皱纹形貌的样品进行二次预拉伸-UVO处理，随后释放预应变进行二次表面起皱。在二次起皱过程中，第一次选区曝光区域内的皱纹其皱纹取向不变，皱纹周期因为二次曝光引起模量增加而略微增加。研究人员通过调整二次预拉伸的方向（分别为与选区皱纹取向：平行、垂直、45°夹角）制备了不同的双向高级皱纹形貌，而且第二次起皱其形成的皱纹取向与选区皱纹取向未呈现相关性，这也与以往的报道有所区别。

二次预拉伸选区曝光形成皱纹形貌的考察。图片来源：Macromol. Rapid Commun.

最后，研究团队基于双向表面皱纹形貌进行光衍射调控的应用实验。研究表明，基于表面不同取向的复合皱纹形貌能够实现入射光不同衍射方向的精确调控，在光学领域的实际应用方面展现出较强的应用潜力。

双向高级皱纹形貌的应用。图片来源：Macromol. Rapid Commun.

——总结——

一直以来基于简便的方法制备取向不同的规整皱纹图案化表面是表面起皱研究领域的一项难题。该研究基于简便的PDMS基底分次预拉伸，结合选区UVO处理，简便制备了一系列双向规整高级皱纹形貌。基于表面皱纹取向的调控实现了入射光衍射的精细调控，拓展了表面起皱技术在光学领域的应用。同时，该研究成果为其他软物质材料表面的图案化构筑提供了思路和借鉴。

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）：

Multidirectional Wrinkle Patterns Programmed by Sequential Uniaxial Strain with Conformal yet Nontraceable Masks

Macromol. Rapid Commun., 2017, DOI: 10.1002/marc.201700311

（本文由宗传永-济大供稿）