基於聚合物「掩膜」製備高級皺紋圖案

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皺紋和皺褶是自然界中材料表面經常存在的一種高級形貌。較薄的硬層膜附著於厚而軟的基體上形成軟硬複合體系；當體系受到超過一定值的壓縮應力作用時，體系表面會發生表面失穩形成正弦狀皺紋形貌以保證體系處於能量最低狀態。系統的相關研究表明，藉助不同的調控手段可對軟硬體系表面的皺紋形貌進行精細構築。表面起皺技術及材料皺紋圖案化表面在構築粘附性/潤濕性可調節表面、智能視窗、波導、光學透鏡、仿指紋防偽等諸多領域有著廣泛的應用。雖然，目前已有諸多的策略構築各種複雜精細的皺紋形貌，但是，簡便精確地構築在實際應用領域有著巨大需求的尺寸可控、多方向的規整高級皺紋形貌仍然是一項挑戰性工作。

近日，韓國科學技術研究所（KIST）Chong Min Koo教授研究團隊模擬人手指表面起皺行為，以圖案化聚合物膜為掩膜進行聚二甲基硅氧烷（PDMS）選區紫外-臭氧（UVO）處理，結合兩步拉伸回縮構築了具有規整雙向結構的高級皺紋形貌。該方法皺紋形貌規整性強、無缺陷，皺紋形貌調控精度高，在實際光衍射調控等方面具有重要的潛在應用。

雙向高級皺紋形貌的製備示意圖。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.

基於預拉伸PDMS表面的選區UVO處理，其曝光區域會轉化為模量較高的SiOx層（E～75 GPa）形成PDMS/SiOx軟硬複合體系，釋放預拉伸應變後UVO改性區域產生皺紋形貌。該研究中採用鏤空的聚合物膜作掩膜，基於聚合物與PDMS基底的范德華力等相互作用，能夠實現充分的共性接觸，避免了傳統無機或金屬掩膜導致的「漏光」問題。基於選區邊界的限制效應，預應變釋放過程中壓縮應力的分布比較規律，因此相比於空白對比處其皺紋形貌更加規整、無分支缺陷。同時，研究表明選區區域的表面起皺存在尺寸要求，最小選區區域直徑≥100 μm時，區域內才能夠形成較明顯的皺紋形貌。

一次預拉伸選區曝光形成皺紋形貌的考察。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.

研究團隊進一步對錶面已具有選區皺紋形貌的樣品進行二次預拉伸-UVO處理，隨後釋放預應變進行二次表面起皺。在二次起皺過程中，第一次選區曝光區域內的皺紋其皺紋取向不變，皺紋周期因為二次曝光引起模量增加而略微增加。研究人員通過調整二次預拉伸的方向（分別為與選區皺紋取向：平行、垂直、45°夾角）製備了不同的雙向高級皺紋形貌，而且第二次起皺其形成的皺紋取向與選區皺紋取向未呈現相關性，這也與以往的報道有所區別。

二次預拉伸選區曝光形成皺紋形貌的考察。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.

最後，研究團隊基於雙向表面皺紋形貌進行光衍射調控的應用實驗。研究表明，基於表面不同取向的複合皺紋形貌能夠實現入射光不同衍射方向的精確調控，在光學領域的實際應用方面展現出較強的應用潛力。

雙向高級皺紋形貌的應用。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.

——總結——

一直以來基於簡便的方法製備取向不同的規整皺紋圖案化表面是表面起皺研究領域的一項難題。該研究基於簡便的PDMS基底分次預拉伸，結合選區UVO處理，簡便製備了一系列雙向規整高級皺紋形貌。基於表面皺紋取向的調控實現了入射光衍射的精細調控，拓展了表面起皺技術在光學領域的應用。同時，該研究成果為其他軟物質材料表面的圖案化構築提供了思路和借鑒。

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

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

（本文由宗傳永-濟大供稿）

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