日本国立材料科学研究所（NIMS）高分子与生物材料研究中心的柴弘太主干研究员等人的研究团队与美国康涅狄格大学合作，开发出了一种可以将通用高分子材料 “聚二甲基硅氧烷（PDMS）” 表面形成的纳米及微米尺寸周期结构（周期微细结构）轻松转印到玻璃基板上的方法。该方法能够设计具有挥发性、结构显色等符合用途要求特性的周期微细结构，预计将有广泛的应用前景。相关研究成果已于8月29日发表在国际学术期刊《Advanced Science》上。
图1 使用PDMS的周期微细结构转印示意图（供图：NIMS）
纳米到微米尺度的以固定周期重复的微细结构（周期微细结构），根据尺寸和重复结构，可以应用于利用超疏水性及超疏油性、集水技术、防雾、防反射、利用结构色的传感及光学控制的超表面等多种用途。这种结构的形成通常需要多阶段处理的光刻蚀技术，但光刻蚀技术存在设备限制、成本高、处理时间长、步骤多以及难以扩大面积等问题。虽然通过印刷也能够制造这种周期结构，但仍需要通过光刻蚀制作母版、解决油墨种类和补充等其他难题。
因此此次，研究团队研究了一种不涉及这些问题的新技术。通过对一种压塑形成轻薄平板状的多功能柔软高分子材料 “PDMS” 进行氧等离子体处理，在其表面形成了褶皱状的周期微细结构，只需将这种贴片贴在玻璃基板上再撕下来，即可实现周期微细结构的转印。
PDMS的使用方法通常是将液态PDMS与固化剂混合，模塑成任意形状然后固化。而此次开发的技术中，研究团队对固化程度进行了调整，有意在固化后的PDMS内部留下了大量的液态PDMS，并利用这种液态PDMS的渗出现象将其作为结构转印所需的 “油墨”。
研究证实，由于板状PDMS内部富含液态 “油墨”，无需额外补充“油墨”即可多次使用同一块PDMS进行结构转印。根据液态PDMS的残留量，预计这种贴片可转印数千次左右。虽然液态PDMS不稳定，但只需对其进行约10秒的氩等离子体处理即可迅速稳定结构。
被转印的周期微细结构取决于PDMS的表面结构，通过控制PDMS的表面结构，可以调节皱褶的间隔和大小，并自由改变被转印的周期微细结构。由于转印结构的面积取决于PDMS贴片的尺寸，研究人员认为可以轻松实现扩大转印面积。
此外，研究团队还证实，该技术还可以在被转印的周期微细结构中添加其他成分，并确认到当添加硅油、二氧化硅纳米粒子时，这些添加物可以存在于被转印的结构中。研究还发现，该技术有可能根据添加剂的类型，实现被转印的周期微细结构的功能多样化。
氧等离子体处理以往主要用于粘接目的，并未设想过将其撕下来的操作。
柴主干研究员表示：“本次研究的契机源于一项出于完全不同目的的实验。而这个意外的成果展现了巨大的发展潜力，作为研究人员，我感到非常喜悦。希望该技术能发展成为一项实现社会应用的创新技术。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Advanced Science
论文：Syneresis-Driven Self-Refilling Printing of Geometry/Component-Controlled Nano/Microstructures
DOI：10.1002/advs.202405151
