液滴铺展诱导纳米薄膜起皱现象的研究及应用

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相较于常见的直接或间接机械压缩起皱策略,利用液滴与软材料之间的毛细弹性作用产生褶皱的方法,具有制样和操作便捷,起皱基材可以灵活选择等诸多优势,为褶皱的构建和应用这一前沿研究方向提供了独特的解决方案。然而,迄今为止,对于毛细弹性作用可能诱导动态褶皱的问题还未见报道。基于上述背景,本论文创新地将“液滴在固体表面铺展现象”与“毛细弹性现象”有机地结合,提出利用低表面能液滴在高分子薄膜表面铺展过程中的毛细弹性作用构建动态褶皱的研究思路,并由此开发基于动态褶皱长度测量的高分子纳米薄膜力学性能表征新方法。本工作所提出的利用液滴在铺展过程中的毛细弹性作用构建动态起皱新机制,不仅为纳米薄膜力学性能表征这一材料研究领域极具挑战的任务,提供操作便捷、价格低廉的新技术。更为重要的是,有望为动态褶皱的理论和应用这一前沿研究领域开辟新的方向。具体包括:(1)本论文以漂浮于水面的聚合物纳米薄膜为研究对象,通过硅油液滴沉积在聚合物表面上,利用其铺展过程所产生的毛细弹性作用引起聚合物纳米薄膜形变而产生规则动态褶皱结构。在此基础上,结合图像处理建立动态褶皱长度和数目随液滴铺展半径变化的定量测量方法,并进一步研究其形成规律,最终实现聚合物纳米薄膜力学性能的测试。本论文首先以广为研究的聚苯乙烯(PS)纳米薄膜为模型体系,通过旋涂和毛细作用转移方法,制备了悬浮于水面的大尺寸圆形PS纳米薄膜,为进一步利用液滴毛细弹性作用构筑褶皱奠定了基础。其次我们搭建了由微量注射泵、硅油输送管路、微孔针头、步进电机液滴位置调节装置、照明装置和配有摄像头的体式显微镜的实验平台,用于原位观察和定量表征液滴铺展状态由此引发的褶皱动态形貌变化行为。利用此实验平台,我们研究了不同粘度硅油液滴在PS纳米薄膜表面铺展时的动态起皱现象,发现液滴动态铺展所引起的褶皱长度随液滴接触半径呈现先增大再下降的非线性行为。这一规律显著不同于前期水滴诱导薄膜静态褶皱研究中所发现的线性关系。(2)进一步地,我们在前人开发的水滴诱导薄膜静态褶皱理论基础之上,建立了动态褶皱长度与液滴铺展半径的解析模型,为深入理解液滴铺展诱导动态褶皱独特的演化规律奠定了理论基础。此外,基于本论文建立的解析模型,通过数值拟合实验观测的褶皱长度随液滴接触半径非线性关系,我们可便捷获得具有统计重复测量意义的纳米薄膜拉伸模量。这一基于动态褶皱长度测量的纳米薄膜力学性能表征新方法被成功应用于PS纳米薄膜弹性模量的表征,其结果与基于动态热机械分析仪(DMA)的拉伸法和水滴静态褶皱测量法结果一致,验证了该方法的准确性。(3)为了展示基于动态褶皱长度测量纳米薄膜力学性能表征新方法的灵活性,本论文合成了系列生长于水/空气界面的聚多巴胺(PDA)纳米薄膜,利用液滴铺展诱导薄膜起皱方法首次原位测量了 PDA薄膜的弹性模量。总之,本论文结合液滴铺展和薄膜起褶这两种有趣的物理现象,建立了液滴铺展诱导薄膜动态起褶的实验测量方法和理论分析基础,提出了一种新颖的基于动态褶皱长度测量的纳米薄膜力学性能表征技术。这不仅为纳米薄膜力学性能的研究提供了基础,同时也为深入了解毛细力引起的起皱行为提供了实验测量和理论分析手段,将进一步促进毛细弹性现象在软材料、纳米技术和生物学领域的理论和应用研究。
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