西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成

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2021年6月16日 10:02

近日，西南交通大學楊維清教授與美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science 發表封面論文，通過將水蒸發引起的分子間作用力引入高分子聚合，提出了一種低成本、大面積的聚合物納米褶皺制備方法，并應用于高效生物機械能收集與自驅動觸覺傳感。

褶皺結構廣泛存在于日常生活中，如時光流逝在我們眼角留下的褶皺，水分蒸發在水果表面產生的褶皺。雖然褶皺有時困擾我們的生活，但是其為材料世界卻帶來諸多新奇現象。褶皺結構可以調控材料機械性能、光學性能以及潤濕性能等，在可調控光學、生物醫療、清潔能源以及可穿戴電子等領域具有廣泛應用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因具有制備簡單、生物相容性、可拉伸性及透明度高等優點，是褶皺結構的主要研究材料。而目前PDMS褶皺薄膜的制備主要通過等離子體、紫外光輻照或金屬薄膜沉積，結合預拉伸或加熱冷卻的方式實現，這些手段往往需要昂貴的設備，無法大規模制備，并且難以構建納米尺度褶皺，限制了褶皺結構材料的商業化與進一步應用。

PDMS納米褶皺薄膜的設計

為彌補傳統制備方法的不足，研究人員將水分子引入PDMS聚合中，構建反應梯度，在材料體系中形成模量差異，并利用其蒸發產生的毛細管力提供表面應力。當PDMS乳液受熱時，由于表層水分子快速蒸發，表面PDMS首先開始聚合，并隨反應時間延長，形成表層向內部的反應梯度。隨著反應進一步進行，水分子蒸發形成毛細管力，在表面產生壓應力，由于材料表層與內部基體存在模量差異，為降低表面能并達到平衡狀態，PDMS表面產生褶皺（圖1）。

西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成的圖1

圖1. PDMS納米褶皺薄膜的設計與合成

褶皺生長機理與表征

同時系統研究了PDMS薄膜表面褶皺生長過程，分為破乳、生成表層、褶皺形核、褶皺生長與褶皺終止五個過程。在第一階段，PDMS乳液在受熱狀態下發生破乳，PDMS開始聚合，并在第二階段，形成表層結構。隨著反應持續進行，基體中水分不斷蒸發，在表層形成壓應力，薄膜表層開始收縮。在第三階段，表面不穩定區域首先開始出現褶皺，并且在第四階段，褶皺結構不斷向周圍擴展，最終在第五階段，表面完全生成褶皺結構。通過改變體系中水分含量，可以對褶皺波長進行調控（250 nm-10.5 μm），當褶皺波長為250 nm時，薄膜表現出良好的柔性與透明性（圖2）。

西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成的圖2

圖2. PDMS褶皺生長機理與表征

PDMS納米褶皺薄膜的應用

PDMS電負性較大，是良好的摩擦電材料，在其表面制備褶皺結構，可以增加其表面積，提高表面電荷密度，進一步提高摩擦納米發電機（TENG）輸出。研究人員制備了基于納米褶皺薄膜的TENG器件，與平面薄膜相比，其輸出電壓、轉移電荷與短路電流分別提升了219%、279%以及511%。器件輸出功率為8.5 mW，并在2 Hz工作頻率下，可于120 s內將容量為22 μF和100 μF的電容器充電至4.7 V和2.2 V（圖3）。

西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成的圖3

圖3. PDMS納米褶皺薄膜應用于能量收集

此外，基于納米褶皺PDMS薄膜，研究人員制備了柔性觸覺傳感器，其基本結構包括PDMS基底、柔性電極和納米褶皺功能層。得益于納米褶皺結構，傳感器在低壓力下展示出良好的輸出性能，與平面PDMS薄膜器件相比，基于納米褶皺PDMS薄膜的器件的靈敏度提升了64%，并表現出較快的響應速度。最后，由于PDMS的天然粘附性，觸覺傳感器陣列可以自發粘附在人體皮膚上，并通過輸出電壓矩陣來識別手指移動路徑（T、E、N和G），將傳感器貼于手指關節上，可以監測手指的彎曲狀態。該傳感器在表皮電子學和人機界面中表現出潛在應用價值（圖4）。

西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成的圖4