高分子聚合物因具有优异的物理化学稳定性而作为纳米涂层或封装材料被广泛应用于微纳机电系统、半导体器件等先进技术。在多种力学性能参数中，弹性模量是衡量材料发生弹性变形难易程度的指标，直接决定了高分子纳米薄膜的应用场景和使用寿命等。常规的薄膜弹性模量表征多在涂附材料的硬质基底上开展纳米压痕测试，理论上其获得的是薄膜和基底的综合力学性能，且膜材料越薄、越软，基底的影响将越显著。为去除基底效应，研究人员先后提出了在悬空薄膜上开展压痕测试或通过材料表面失稳产生的褶皱间接测量模量，但这些方法多涉及复杂的样品制备、处理和/或转移，这极大地限制了它们的广泛应用。因此，发展测试样品制备简单、测量结果准确可靠的纳米薄膜力学表征方法十分重要。

近日，电子科技大学陈龙泉课题组在Nano Letters上报道了液相环境下纳米水泡的力学性能测试研究。该工作利用原子力显微镜（AFM）的纳米压痕技术，对液相环境下自发产生的高分子纳米水泡开展了高分辨率的定量力学性能测试，获得了水泡刚度与其尺寸、纳米薄膜厚度之间的依赖关系，并基于经典薄壳理论建立了描述水泡力学性能的物理模型，进而提出了一种准确测量高分子聚合物纳米膜弹性模量的简单方法（图1）。

图1. 基于纳米水泡的力学表征测量高分子聚合物纳米膜的弹性模量

附着于固体基底的纳米薄膜在水环境中常会发生起泡现象，产生的水泡高度为几十至几百纳米、直径在亚微米至微米之间（图2a-b）。由于纳米薄膜与水分子之间的作用强度远远弱于其与固体基底之间的作用，因此纳米水泡表面的包覆膜可被视作理想的自立式薄膜。作者通过纳米压痕试验发现，所测得的力-距离曲线呈现线弹性行为（图2c），即可用刚度来衡量其变形能力。进一步系统的纳米力学测量研究表明，在水泡表面测得的刚度值与测试位置和加载力大小有关。只有在水泡中心区域（小于0.5倍水泡半径，图3a）且加载力适当（处于两个阈值之间，图3b-c）时，压痕试验所获得的刚度为常值，可用于表征水泡的变形能力（记作k_b）。k_b具有显著的尺寸效应：随水泡尺寸的减小或高分子膜厚度的增加而增加（图3d）。作者采用经典薄壳理论对压痕试验中纳米水泡的变形过程进行了深入分析，进而建立了解释水泡刚度尺寸效应的理论模型，并将该模型用于薄膜弹性模量测量。研究结果表明，这种基于纳米水泡测得的高分子薄膜弹性模量与前人的测量结果一致（图1）。

图2. 纳米水泡的力学表征

图3. 纳米水泡的刚度

研究团队提出将水环境中自发产生的纳米水泡用于高分子薄膜材料的弹性模量测量，并给出了获得准确可靠测量结果的测试标准。该方法既不涉及复杂的样品制备过程，又摒除了传统测试方法中基底效应的影响，因而有望广泛应用于高分子聚合物纳米力学和纳米材料相关的基础和应用研究。

相关论文发表于Nano Letters，电子科技大学博士研究生许懿为文章的第一作者，陈龙泉教授、靳亚康博士为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和中国博士后科学基金的资助。

扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文

Nano Lett. 2023, ASAP

Publication Date: February 20, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c05070 

Copyright © 2023 American Chemical Society