即可将网页分享至朋友圈
近日，我校物理学院陈龙泉教授团队在美国化学会刊物《Nano Letters》上发表了题为“Interfacial Nanoblisters Formed in Water Serving as Freestanding Platforms for Measuring Elastic Moduli of Polymeric Nanofilms”的研究论文，并入选当期封面（Supplementary Cover，图1）。物理学院博士研究生许懿为论文第一作者，陈龙泉教授和青年教师靳亚康为共同通讯作者，电子科技大学物理学院为论文第一署名单位。物理学院博士研究生贾友全与意大利米兰-比可卡大学Carlo Antonini教授亦参与了此项研究。该项研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和中国博士后科学基金的资助。
图1. Nano Letters封面图片
高分子聚合物因具有优异的物理化学稳定性而作为纳米涂层或封装材料被广泛应用于微纳机电系统、半导体器件等先进技术。在多种力学性能参数中，弹性模量是衡量材料发生弹性变形难易程度的指标，直接决定了高分子纳米薄膜的应用场景和使用寿命等。常规的薄膜弹性模量表征多在涂附材料的硬质基底上开展纳米压痕测试，理论上其获得的是薄膜和基底的综合力学性能，且膜材料越薄、越软，基底的影响将越显著。为去除基底效应，研究人员先后提出了在悬空薄膜上开展压痕测试或通过材料表面失稳产生的褶皱间接测量模量，但这些方法多涉及复杂的样品制备、处理和/或转移，这极大地限制了它们的广泛应用。因此，发展测试样品制备简单、测量结果准确可靠的纳米薄膜力学表征方法十分重要。该论文针对水相环境下固体基底上自发形成的高分子纳米水泡开展了系统的力学测量研究，并基于此提出了一种准确测量高分子纳米薄膜弹性模量的方法。
附着于固体基底的纳米薄膜在水环境中常会发生起泡现象，产生的水泡高度为几十至几百纳米、直径在亚微米至微米之间（图2a-b）。由于纳米薄膜与水分子之间的作用强度远远弱于其与固体基底之间的作用，因此纳米水泡表面的包覆膜可被视作理想的自立式薄膜。作者通过纳米压痕试验发现，所测得的力-距离曲线呈现线弹性行为（图2c），即可用刚度来衡量其变形能力。进一步系统的纳米力学测量研究表明，在水泡表面测得的刚度值与测试位置和加载力大小有关。只有在水泡中心区域（小于0.5倍水泡半径，图3a）且加载力适当（处于两个阈值之间，图3b-c）时，压痕试验所获得的刚度为常值，可用于表征水泡的变形能力（记作kb）。kb具有显著的尺寸效应：随水泡尺寸的减小或高分子膜厚度的增加而增加（图3d）。作者采用经典薄壳理论对压痕试验中纳米水泡的变形过程进行了深入分析，进而建立了解释水泡刚度尺寸效应的理论模型，并将该模型用于薄膜弹性模量测量。研究结果表明，这种基于纳米水泡测得的高分子薄膜弹性模量与前人的测量结果一致（图4）。
图2. 纳米水泡的力学表征
图3. 纳米水泡的刚度
图4. 高分子聚合物纳米膜的弹性模量
该研究提出将水环境中自发产生的纳米水泡用于高分子薄膜材料的弹性模量测量，并标定了获得准确可靠测量结果的测试标准。该方法既不涉及复杂的样品制备过程，又摒除了传统测试方法中基底效应的影响，因而有望广泛应用于高分子聚合物纳米力学和纳米材料相关的基础和应用研究。
相关链接：
研究团队简介：物理学院陈龙泉教授带领的“软物质与界面流体物理”研究团队长期专注于软物质物理、微纳尺度流动、表/界面物理力学和微纳米力学测量等前沿领域的基础研究，近五年在《Physical Review Letters》《Physics of Fluids》《Nano Letters》和《Advanced Science》等期刊发表高水平论文30余篇，应邀在中国力学大会、全国物理力学大会、国际液滴会议等主流学术会议上作特邀报告，主持了国家自然科学基金、四川省自然科学基金、广东省自然科学基金及国家重点实验室开放课题等多项研究课题，研究成果被《Annual Review of Fluid Mechanics》《Physical Review Letters》《Journal of Fluid Mechanics》等国际权威期刊引用3000余次。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c05070
编辑：赵海玲 / 审核：林坤 / 发布：陈伟
