水蒸气吸附：揭示PDS薄膜可逆性的关键

来自 实验室仪器网

研究人员发现，等离子体氧化PDMS薄膜表面起皱的主要原因是水蒸气吸收，而非此前认为的热循环。这一发现对于开发可逆的湿度和温度光学传感器具有重要意义。

该研究发表在《先进功能材料》上，为PDMS表面力学提供了新的见解，为其在环境监测和软电子领域的实际应用开辟了更大的潜力。

除皱技术及其重要性

软光刻是一种非光刻方法，用于制造纳米和微米图案，无需昂贵的机器。

软光刻技术中最有效的制造方法之一是表面起皱技术，即通过在附着于较软基底上的薄而硬的薄膜上施加压应力来产生周期性形貌。这些图案的尺度从纳米级到数百微米级不等，并且波长和振幅均可调整。

PDMS弹性体因其光学透明度、机械柔韧性、可定制的表面化学性质和强粘附性而成为软光刻中特别受欢迎的基底材料。

起皱所需的坚硬外层“表皮”通常是通过等离子氧化在PDMS基底上形成的。该过程会形成一层薄薄的、类似玻璃的二氧化硅层，该层会承受应力并变形。

虽然早期的理论认为这种行为是由热循环造成的，但这项研究发现，水蒸气吸附才是皱纹层的主要因素。

揭示湿度的作用

为了了解起皱过程，研究团队在等离子体氧化过程中和之后创造了一个受控的气氛。他们用氧气等离子体在氮气、氩气和环境空气等多种气体环境中处理了各种厚度（从100纳米到几十微米）的PDMS薄膜。

然后，他们使用原子力显微镜(AFM)和小角度光散射(SALS)分析了不同PDMS薄膜的表面形貌。

研究人员发现，与预期相反，在整个等离子体氧化过程中，当薄膜保持在氮气或氩气等惰性气体中时，薄膜不会出现褶皱。然而，一旦薄膜暴露在含有水蒸气的空气中，褶皱就开始形成。

研究团队利用石英晶体微天平发现，氧化后的PDMS在水中的吸收量高达其质量的8%，而未经处理的PDMS仅为0.5%。这种额外的吸收会导致材料膨胀，进而产生压缩应力，最终导致起皱。

利用X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱进行的额外测试进一步证实了这一假设：水被吸收到氧化层中，而没有改变其化学成分。

当暴露于潮湿环境时，PDMS薄膜光谱中会出现OH拉伸谱带，表明存在水。在弯曲测试中，PDMS氧化侧的膨胀程度更大，导致曲率随薄膜厚度而变化。

研究人员开发了一种将水分吸收与机械不稳定性联系起来的“吸附-起皱”模型，以加深对水蒸气吸附效应的理解。

他们利用菲克扩散方程追踪了水分吸收如何导致肿胀，以及肿胀如何反过来引发皱纹。线性稳定性分析有助于预测肿胀与皱纹高度之间的关系。

他们观察到，皱纹波长在不同湿度水平下保持一致，约为2.1-2.3微米，但皱纹高度会随着湿度升高而增加。皱纹出现的时间差异很大，相对湿度22%时约需18小时，而湿度98%时则需不到12分钟。他们的模型准确地捕捉到了皱纹形成的速度和规模。

研究结果与经典双层理论一致，表明皱纹波长取决于薄膜厚度。厚度小于约200纳米的薄膜根本不会起皱，而较厚的薄膜偶尔会出现裂缝和皱纹。

他们发现，可以通过改变相对湿度来调整皱纹；干燥和潮湿条件之间的循环会导致可逆的松弛和皱纹图案的形成。

这种可逆的褶皱效应可用于开发简单但有效的光学传感应用。研究人员对此进行了探索，发现褶皱的PDMS表面可以充当衍射光栅，在白光下产生彩色图案。当暴露在高湿度或低温下时，会出现鲜艳的衍射颜色。相反，当暴露在干燥环境中时，表面会变得平坦，颜色也会消失。

通过在等离子体氧化过程中选择性地遮蔽区域，该团队创建了能够对湿度和温度进行局部响应的传感器。这些传感器成本低廉，易于利用软光刻技术制造，非常适合用于环境监测、智能包装和可穿戴技术。

水蒸气被氧化的PDMS层吸收是观察到的起皱行为的主要原因。这一发现比之前提出的基于热的模型对可逆起皱提供了更清晰、更可靠的解释。这澄清了之前的不一致之处，并展示了等离子体氧化材料能够实时适应环境变化的潜力。

未来的研究可以探索柔性电子、医疗设备和微流体等领域的应用，因为控制表面形状至关重要。调节等离子体设置或薄膜厚度，或许还能实现根据光操控或流体控制定制的褶皱图案。

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