濕度響應性褶皺圖案的多花樣「妙用」

最新 06-15

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褶皺（表面起皺）作為一種簡便的表面圖案化技術，近年來成為人們的研究熱點。將光、熱、濕氣等刺激響應性組分引入褶皺體系，能夠賦予體系表面圖案的動態響應性，使得該類智能褶皺圖案在感測、微流控、信息存儲等領域得到廣泛應用。表面起皺體系是由模量較低的彈性基底和表面附著的高模量硬層構成。在日常生活中，人們的皮膚可以看做是一種典型的表面起皺體系；皮膚在水中長時間浸泡後會產生褶皺，而乾燥後褶皺又會可逆消失。

受此啟發，近日美國康涅狄格大學的孫陸逸（Luyi Sun）教授研究團隊，以親水的聚乙烯醇（PVA）薄膜為硬層、以疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）為彈性基底，通過表面PVA膜的交聯改性處理，製備了三種不同的濕度響應性PDMS/PVA表面起皺體系；系統的研究了不同褶皺圖案其濕氣響應性及調控，並利用有限元計算對其響應模式進行了模擬分析。

三種不同響應性PDMS/PVA表面起皺體系的構築。圖片來源：Adv. Mater.

基於表面PVA膜的親水特性，當對體系表面施加水汽時PVA膜會產生溶脹，從而對PDMS/PVA產生壓縮應力；當該壓縮應力超過體系的臨界壓縮應力時，體系表面失穩產生皺紋形貌。當表面PVA膜處於未交聯狀態時，PDMS/PVA體系一次起皺/消皺循環後，由於PVA分子鏈結構鬆弛和結晶度變化，使得再次溶脹產生的壓縮應力低於體系臨界起皺壓縮應力，使得體系褶皺結構不可再生；而當PVA處於均勻交聯狀態時，則會保證PVA膜的物性穩定，實現褶皺形貌的可逆再生。同時，由於表面皺紋形貌的光折射和漫反射作用，PDMS/PVA體系起皺前後光透過率發生顯著變化，從而產生體系宏觀透明度的變化。而對PVA進行區域性交聯處理後，其溶脹起皺只發生在未交聯區域，從而形成局部可逆的宏觀圖案化，因此可用作防偽標記。如下圖h所示，哈一口氣，材料就會顯現出預設的文字（或圖案），再過一會兒，文字（或圖案）又會自己消失。

PDMS/PVA體系起皺原理分析、模擬及局部圖案化。圖片來源：Adv. Mater.

此外，膜/基體系表面皺紋形貌狀態跟體系材料的物性密切相關。研究發現，通過調節PVA的交聯程度/梯度，能夠實現體系表面褶皺形貌及對水汽響應性的精確調控。同時，具有交聯梯度PDMS/PVA體系，施加水汽時其底層的PVA和PDMS基底，給表層PVA施加壓縮力，導致褶皺產生；而乾燥時，整個PVA膜的乾燥過程較長，使得頂層PVA先乾燥並固定、穩定表面褶皺形貌。這種穩定的PDMS/PVA褶皺結構在光漫射器、防反光膜和電路防水標記等領域具有重要應用。

PDMS/PVA表面褶皺形貌、水汽響應性調節及電路防水標記應用。圖片來源：Adv. Mater.

——總結——

該研究基於傳統商業化高分子材料PVA的不同交聯改性處理，構築了三種不同的濕度響應性表面起皺體系。對PDMS/PVA軟硬複合體系表面防皺、可控起皺以及皺紋形貌的應用拓展進行了系統的研究。同時，該PDMS/PVA智能表面起皺體系在防偽標記、涉密信息存儲、電路板/食品防水貼紙以及光學器件領域展現出廣泛的應用前景。該研究同時也為其他智能響應性皺紋體系的設計和應用探索提供了借鑒和思路。

Moisture-Responsive Wrinkling Surfaces with Tunable Dynamics

Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201700828

（本文由甲子湖供稿）

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