西南交大杨维清CRPS：水蒸发诱导分子间作用力实现纳米褶皱聚合物薄膜合成

近日，西南交通大学杨维清教授与美国加州大学洛杉矶分校陈俊教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science 发表封面论文，通过将水蒸发引起的分子间作用力引入高分子聚合，提出了一种低成本、大面积的聚合物纳米褶皱制备方法，并应用于高效生物机械能收集与自驱动触觉传感。

研究背景

褶皱结构广泛存在于日常生活中，如时光流逝在我们眼角留下的褶皱，水分蒸发在水果表面产生的褶皱。虽然褶皱有时困扰我们的生活，但是其为材料世界却带来诸多新奇现象。褶皱结构可以调控材料机械性能、光学性能以及润湿性能等，在可调控光学、生物医疗、清洁能源以及可穿戴电子等领域具有广泛应用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因具有制备简单、生物相容性、可拉伸性及透明度高等优点，是褶皱结构的主要研究材料。而目前PDMS褶皱薄膜的制备主要通过等离子体、紫外光辐照或金属薄膜沉积，结合预拉伸或加热冷却的方式实现，这些手段往往需要昂贵的设备，无法大规模制备，并且难以构建纳米尺度褶皱，限制了褶皱结构材料的商业化与进一步应用。

PDMS纳米褶皱薄膜的设计

为弥补传统制备方法的不足，研究人员将水分子引入PDMS聚合中，构建反应梯度，在材料体系中形成模量差异，并利用其蒸发产生的毛细管力提供表面应力。当PDMS乳液受热时，由于表层水分子快速蒸发，表面PDMS首先开始聚合，并随反应时间延长，形成表层向内部的反应梯度。随着反应进一步进行，水分子蒸发形成毛细管力，在表面产生压应力，由于材料表层与内部基体存在模量差异，为降低表面能并达到平衡状态，PDMS表面产生褶皱（图1）。

图1. PDMS纳米褶皱薄膜的设计与合成

褶皱生长机理与表征

同时系统研究了PDMS薄膜表面褶皱生长过程，分为破乳、生成表层、褶皱形核、褶皱生长与褶皱终止五个过程。在第一阶段，PDMS乳液在受热状态下发生破乳，PDMS开始聚合，并在第二阶段，形成表层结构。随着反应持续进行，基体中水分不断蒸发，在表层形成压应力，薄膜表层开始收缩。在第三阶段，表面不稳定区域首先开始出现褶皱，并且在第四阶段，褶皱结构不断向周围扩展，最终在第五阶段，表面完全生成褶皱结构。通过改变体系中水分含量，可以对褶皱波长进行调控（250 nm-10.5 μm），当褶皱波长为250 nm时，薄膜表现出良好的柔性与透明性（图2）。

图2. PDMS褶皱生长机理与表征

PDMS纳米褶皱薄膜的应用

PDMS电负性较大，是良好的摩擦电材料，在其表面制备褶皱结构，可以增加其表面积，提高表面电荷密度，进一步提高摩擦纳米发电机（TENG）输出。研究人员制备了基于纳米褶皱薄膜的TENG器件，与平面薄膜相比，其输出电压、转移电荷与短路电流分别提升了219%、279%以及511%。器件输出功率为8.5 mW，并在2 Hz工作频率下，可于120 s内将容量为22 μF和100 μF的电容器充电至4.7 V和2.2 V（图3）。

图3. PDMS纳米褶皱薄膜应用于能量收集

此外，基于纳米褶皱PDMS薄膜，研究人员制备了柔性触觉传感器，其基本结构包括PDMS基底、柔性电极和纳米褶皱功能层。得益于纳米褶皱结构，传感器在低压力下展示出良好的输出性能，与平面PDMS薄膜器件相比，基于纳米褶皱PDMS薄膜的器件的灵敏度提升了64%，并表现出较快的响应速度。最后，由于PDMS的天然粘附性，触觉传感器阵列可以自发粘附在人体皮肤上，并通过输出电压矩阵来识别手指移动路径（T、E、N和G），将传感器贴于手指关节上，可以监测手指的弯曲状态。该传感器在表皮电子学和人机界面中表现出潜在应用价值（图4）。

图4. PDMS纳米褶皱薄膜应用于自驱动传感

小结

综上所述，研究人员通过将水蒸发引起的分子间作用力引入PDMS聚合反应，提出了一种低成本、大面积纳米褶皱PDMS薄膜的构建策略，并且，该褶皱结构在生物机械能收集以及自驱动触觉传感中表现出优异性能。该研究有效解决了传统褶皱制备方法的缺陷，同时为聚合物表面纳米尺度图案设计提供了新思路。

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）：

Water-evaporation-induced intermolecular force for nano-wrinkled polymeric membrane

Binbin Zhang, Fengjun Chun, Guorui Chen, Tao Yang, Alberto Libanori, Kyle Chen, Giorgio Conta, Da Xiong, Cheng Yan, Weiqing Yang, Jun Chen

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100441

作者简介

杨维清  通讯作者

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。在Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters, NanoToday, Nano Energy, Advanced Functional Materials等刊物上发表论文共计170余篇，引用7200余次。获得国家自然基金、四川省杰出青年基金、教育部留学回国人员启动基金等项目资助，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40余项，授权24项。所做工作被美国国家自然基金委、Newscientist、CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26756