微结构制备技术向商业化应用，再迈进一步

微纳结构材料表面能够赋予材料诸多独特性能，一直以来是材料领域的研究热点。目前，仿生技术、光刻技术、自组装技术、光流体化技术、微流控技术等等诸多的“自上而下”或“自下而上”的微纳结构制备技术，已经能够实现不同复杂高级微纳复合结构表面的可控构筑，在光学、柔性电子、功能涂层、生物学等领域得到广泛的应用。其中，基于材料表面失稳的表面起皱技术的发展，使得材料表面微结构制备更为简单、高效、低成本。但是，这种技术仍然面临着需批次制备的技术瓶颈，连续商业化生产仍是一项挑战性工作。

近日，美国宾夕法尼亚大学的Daeyeon Lee、Shu Yang与Kathleen J. Stebe等研究者基于卷对卷（Roll-to-Roll）制备过程中弯曲应变/应力引起UV光固型聚二甲基硅氧烷（UV-PDMS）表面原位起皱的策略，简便实现了材料系列褶皱形貌的连续化、大规模制备。PDMS表面基于不同的实验参数，可实现一维或棋盘状等不同表面微结构的可控构筑。研究团队对PDMS表面皱纹形貌形成的内在机理进行了深入探究和仿真模拟分析。该策略构筑的材料表面微形貌基于增强光吸收率从而能提升太阳能电池光电转换效率。

UV-PDMS表面皱纹形貌连续制备过程示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队以PDMS为弹性基底，表面涂覆UV光固型UV-PDMS 预聚体，圆辊转动的过程中UV光引发UV-PDMS聚合固化形成软/硬复合体系；随着圆柱连续旋转复合体系弯曲应力释放后表面形成相应的皱纹形貌。进一步研究表明，PDMS表面形成的皱纹形貌依赖于材料膜厚以及辊曲率（圆柱直径）；因此基于PDMS基底膜厚以及圆柱直径的调控，可实现材料表面棋盘状褶皱及平行或垂直取向一维皱纹形貌的可控制备。

PDMS厚度及圆柱直径对材料表面褶皱形貌的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

对UV-PDMS表面不同褶皱形貌形成的内在机理进行探究及有限元分析：UV-PDMS光固化过程中表层由于UV臭氧分解其模量高于底层UV-PDMS，从而形成了硬UV-PDMS/软UV-PDMS/PDMS三层结构软硬体系；圆辊旋转引入平行于弯曲方向的弯曲应力以及UV-PDMS预聚体溶胀PDMS基底引入的压缩应力，两者依赖于材料及设备参数、综合作用共同导致材料表面不同褶皱形貌的形成。

UV-PDMS表面褶皱形貌形成机理分析。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在光学性能方面，具有表面褶皱形貌的PDMS其褶皱结构散射造成的漫透射约占整体入射光的50%，表明具有表面褶皱的PDMS膜可作为有效的光学漫射器。将褶皱状PDMS膜作为单晶硅太阳能电池顶层封装膜，在光入射角为60° 时，褶皱状PDMS封装的太阳能电池展现出更高的电流密度。同时，相对于具有光滑封装表面的太阳能电池，具有褶皱状PDMS封装的太阳能电池随热射光角度变化其光电转化效率更为稳定。

褶皱形貌提升太阳能电池光电转换效率。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

在材料表面微纳形貌构筑领域，表面起皱技术在操作步骤、制备成本等方面具有明显的优势。该研究基于“卷对卷”加工技术，进一步实现了UV-PDMS表面皱纹形貌的连续、大规模制备，无疑将更进一步推动表面起皱技术在光学、电子学等领域的商业化应用。同时，该研究成果可进一步拓展至其他聚合物基材料表面微纳结构功能化的构筑应用。

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Scalable Manufacturing of Bending-Induced Surface Wrinkles

Xu A. Zhang, Yijie Jiang, R. Bharath Venkatesh, Jordan R. Raney, Kathleen J. Stebe*, Shu Yang*, Daeyeon Lee*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 7658-7664, DOI: 10.1021/acsami.9b23093