新型拉力响应型表面褶皱结构及光学性质调控

表面褶皱是自然界中一种常见现象,如连绵不断的山峰、干枯的树叶、人体皮肤上的皱纹等。研究者们早期对于褶皱的研究主要集中在如何消除褶皱对生产生活的危害。近年来,皱褶作为一种特殊的微纳米结构及具有独特的光学性质,得到了研究者们广泛研究。

微纳米尺度褶皱的制备主要是利用膜/基复合体系中硬质薄膜与弹性基底存在杨氏模量、热膨胀系数等物理化学性质差异,当膜/基复合体系受到外界刺激(如力、温度、溶剂等),在材料表面形成压缩应力,当应力达到临界值后材料表面产生力学失稳而形成褶皱。对于透明的膜/基复合体系,由于微纳米尺度表面褶皱对光具有强烈的散射作用,通过外界刺激可以动态调控褶皱形貌进而实现膜/基复合体系光透过率可逆调控,在智能窗户等领域有重要应用前景。当前,发展一种简单且普适的制备方法实现膜/基复合体系褶皱波长和振幅可控调节及光透过率大范围调控,仍是一项极具挑战性的工作。

针对以上问题,山东大学王文寿教授课题组发展了一种预拉伸-拉力释放法,在多种膜/基复合体系中成功制备了褶皱波长和振幅可调控的拉力响应型表面褶皱,可见光透过率可在6%-90%的范围内可逆调控。

该课题组利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为弹性基底,利用O2等离子体刻蚀改善PDMS表面的亲水性,通过滴涂法制备了双层膜体系,施加单轴预拉伸后释放拉力,形成了方向垂直于预拉伸方向、高度有序、无裂纹的正弦波型褶皱。此方法适用于多种硬质薄膜,例如聚乙烯醇(PVA)、羟乙基纤维素(HEC)、壳聚糖(CS)和聚乙烯醇与壳聚糖的混合物与PDMS形成的双层膜体系。通过改变PVA膜的厚度或预拉伸幅度,实现了PVA/PDMS 双层膜体系褶皱波长40 um-342 um,振幅7-36 um范围内调控。PVA/PDMS 双层膜体系褶皱表现出了优异的性能:(1) 可见光透过率具有极高的应变敏感性,当外加应变仅为20%时,可见光透过率可达90%,(2) 可见光透过率可在6%-90%范围内可逆调控,(3) 可逆循环次数可以达到2000次以上,且可见光透过率没有明显的恶化。由于该褶皱制备工艺简单且不需要复杂的设备,通过手工预拉伸和释放拉力可以制备大尺寸PVA/PDMS 褶皱膜,有望在智能窗户、信息隐藏、光栅等领域有广泛应用。相关结果发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201800195)。