《AFM》具有可调湿汽响应模式的光刻褶皱体系

2021-01-17 11:19:45 高分子科学前沿

褶皱结构普遍存在于多种生物表面上,比如花瓣表面,章鱼皮肤,和长期浸泡在水中的手指等等。其作为一种新型的图案成形技术,近年来在智能传感器、动态光学器件、微流控和信息存储等领域得到广泛应用。与此同时,褶皱体系被引入了光、热、湿气等响应基团和多级结构,赋予了相应的表面褶皱图案以多种多样的动态刺激响应性能。一般而言,褶皱体系是由低模量的弹性基底和较高模量的硬质薄膜而构成。

近日,来自美国康涅狄格大学的Luyi Sun教授及其博士后Songshan Zeng和来自达特茅斯学院的Zi Chen教授及其博士后Yin Liu,以亲水的聚乙烯醇(PVA)和层状纳米粘土锂皂石(laponite)的复合材料为硬质薄膜,以疏水的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/ 炭黑(carbon black)为软基底,制备了一种新型的光刻褶皱体系。当采用适当的激光功率时,PDMS/炭黑层可产生足够的光热效应使得光刻褶皱能在PVA/laponite硬膜层生成。同时,他们通过调整PVA的水解度, laponite的含量以及激光功率来改变硬膜层的尺寸稳定性和其截面的纳米形貌结构,从而得到了三种不同湿汽响应模式的光刻褶皱体系,并利用有限元模拟对光刻褶皱的生成进行了分析。

图1.光刻褶皱结构的湿汽响应模式调控示意图

对于第一种响应模式(如图1),其含有低水解度的PVA和低含量的laponite,此种光刻褶皱结构具有垂直于激光扫描方向的取向,同时可以被湿汽完全消除。能用于可重复擦写的光刻图案,力学响应的加密器件等(如图2a)。对于第二种响应模式(如图1),其含有高水解度的PVA的和高含量的laponite,因而其膜截面具有纳米级的层状结构和较高的膜尺寸稳定性。在采用较低功率的激光扫描下,纳米层状结构和膜的尺寸稳定性得以保留,相应的光刻褶皱在加湿汽时不会消失而干燥之后则会被抹平。而当保持同样的材料组分(如图1),在使用较高功率的激光扫描时,原有的层状结构会被一定程度的打乱导致膜的尺寸稳定性降低,相应的光刻褶皱在加湿汽和干燥的多次循环中均永久性保持不被抹平,因而产生第三种响应模式。上述这两种可以被湿汽激活和/或永久存在的光刻褶皱可用于湿汽响应防伪标记(如图2b)和湿汽或湿度响应的光电一体开关(如图2c)。

图2. (a)模式一光刻褶皱应用于可重复擦写光刻图案(white scale bar = 10 mm, black scale bar = 100 μm). (b)模式二和模式三光刻褶皱应用于湿汽响应防伪标记 (red scale bar = 8.3 mm, whitescale bar = 50 μm); (c) 模式二光刻褶皱应用于湿汽或湿度响应的光电一体开关。(whitescale bar = 1 cm, black scale bar = 100 μm)

研究人员期待这种基于硬质薄膜/软基底的可调控光刻褶皱结构可为制备力,光和湿汽响应的智能器件开辟了一条崭新的路径,并可在信息存储加密,交互式光电设备和防伪标记等实际应用具有巨大潜力。相关论文题目为“Smart Laser-Writable Micropatterns with Multiscale Photo/Moisture Reconstructible Structure” 发表在Advanced Functional Materials (DOI:DOI:10.1002/adfm.202009481)上。

来源:高分子科学前沿

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