日本國立材料科學研究所（NIMS）聚合物與生物材料研究中心的柴弘太主幹研究員等人的研究團隊與美國康涅狄格大學合作，開發出了一種可以將通用的聚合體材料「聚二甲基矽氧烷（PDMS）」表面形成的奈米及微米尺寸週期結構（週期細結構）輕鬆轉印到玻璃基底層上的方法。該方法能夠設計具有揮發性、結構顯色等符合用途要求特性的週期細結構，預計將有廣泛的應用前景。相關研究成果已於8月29日發表在國際學術期刊《Advanced Science》上。
圖1 使用PDMS的週期細結構轉印示意圖（供圖：NIMS）
奈米到微米尺度的以固定週期重複的細結構（週期細結構），根據尺寸和重複結構，可以應用於利用超疏水性及超疏油性、集水技術、防霧、防反射、利用結構色的感測及光學控制的超表面等多種用途。這種結構的形成通常需要多階段處理的光蝕刻技術，但光蝕刻技術存在設備侷限、成本高、處理時間長、步驟多以及難以擴大面積等問題。雖然透過印刷也能夠製造這種週期結構，但仍需要透過光蝕刻製作母版、解決油墨種類和補充等其他難題。
因此此次，研究團隊研究了一種不涉及這些問題的新技術。透過對一種壓塑形成輕薄平板狀的多功能柔軟聚合體材料「PDMS」進行氧電漿處理，在其表面形成了褶皺狀的週期細結構，只需將這種貼片貼在玻璃基底層上再撕下來，即可實施週期細結構的轉印。
PDMS的使用方法通常是將液態PDMS與固化劑混合，模塑成任意形狀然後固化。而此次開發的技術中，研究團隊對固化程度進行了調整，有意在固化後的PDMS内部留下了大量的液態PDMS，並利用這種液態PDMS的滲出現象將其作爲結構轉印所需的「油墨」。
研究證實，由於板狀PDMS内部富含液態「油墨」，無需額外補充「油墨」即可多次使用同一塊PDMS進行結構轉印。根據液態PDMS的殘留量，預計這種貼片可轉印數千次左右。雖然液態PDMS不穩定，但只需對其進行約10秒的氬電漿處理即可迅速穩定結構。
被轉印的週期細結構取決於PDMS的表面結構，透過控制PDMS的表面結構，可以調節皺褶的隔膜和大小，並自由改變被轉印的週期細結構。由於轉印結構的面積取決於PDMS貼片的尺寸，研究人員認爲可以輕鬆實施擴大轉印面積。
此外，研究團隊還證實，該技術還可以在被轉印的週期細結構中添加其他成分，並應答到當添加硅油、二氧化矽奈米粒子時，這些添加物可以存在於被轉印的結構中。研究還發現，該技術有可能根據添加劑的類型，實施被轉印的週期細結構的功能雜異化。
氧電漿處理以往主要用於粘接目的，並未設想過將其撕下來的操作。
柴主幹研究員表示：「本次研究的契機源於一項出於完全不同目的的實驗。而這個意外的成果展現了巨大的隊形變換潛力，作爲研究人員，我感到非常喜悅。希望該技術能隊形變換成爲一項實施社會應用的創新技術。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Advanced Science
論文：Syneresis-Driven Self-Refilling Printing of Geometry/Component-Controlled Nano/Microstructures
DOI：10.1002/advs.202405151
