高分子鍍層在能源、催化、微電子等諸多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。測量高分子鍍層與基板間的粘附能不僅可以讓學(xué)術(shù)界進(jìn)一步研究界面物理，也能讓工業(yè)界定量評估這些鍍層的壽命與穩(wěn)定性。盡管“粘合”現(xiàn)象已有百年的研究歷史，但當(dāng)尺度變小的時候，對粘附能進(jìn)行測量依然存在難度。
從實用性的角度出發(fā)，隨著近些年納米技術(shù)的發(fā)展，器件尺寸變小，因此在小尺度下進(jìn)行粘附能的測量變得愈加重要。從學(xué)術(shù)研究的角度出發(fā)，這樣的測量能用以研究界面的微觀性質(zhì)和性能。目前常用的方法盡管相對復(fù)雜，卻依然存在較大誤差。常規(guī)的機械剝離法會造成大量無用功耗散，而另一種常用的原子力顯微鏡（AFM）測量法則要先將鍍層和基板表面暴露于大氣中再進(jìn)行測量，但如此一來，大氣中的水汽和污染物顆粒會附著在界面上，從而造成測量誤差。因此，目前仍需更加先進(jìn)的測量方法，既能做到準(zhǔn)確測量，又能做到在小尺度進(jìn)行測量。
而這樣的方法其實可以非常簡單：利用冷凝現(xiàn)象就可以用來進(jìn)行相關(guān)測量。水蒸汽在過冷表面的冷凝是十分常見、且與我們的生活息息相關(guān)的現(xiàn)象。在冬天，從寒冷的室外進(jìn)入溫暖的室內(nèi)時，過冷的眼鏡表面會因為冷凝現(xiàn)象蒙上一層水霧；在夏天，從冰箱拿出來的可樂會因為冷凝現(xiàn)象在表面形成水珠。
近期，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Jingcheng Ma （馬景鋮）,?David G. Cahill教授以及Nenad Miljkovic教授發(fā)現(xiàn)只要冷卻高分子鍍層，使大氣中的水蒸氣冷凝在其上時，一部分水蒸氣則會透過薄膜里納米尺寸的孔洞缺陷，滲透至鍍層薄膜與基板的界面進(jìn)行冷凝，并形成微米尺寸的水泡。這些水泡的形狀與薄膜的吸附能直接相關(guān)，因此可以通過測量水泡的大小形狀來計算薄膜在微米尺寸的粘附能。這項技術(shù)可以用于厚度至少為10 nm的薄膜鍍層，以及可以達(dá)到1 μm的空間分辨率和1 mJ/m2的能量分辨率。
該研究提供了一種非常簡單卻又準(zhǔn)確的粘附能測量方法，并能在小尺度下進(jìn)行測量。這項研究對于進(jìn)一步研究微觀界面現(xiàn)象，以及表征鍍層可靠性均有著深遠(yuǎn)影響。研究文章發(fā)表于納米科學(xué)頂級期刊之一的《Nano Letters》。
圖片：（左）微米級冷凝水泡的示意圖（中）通過納米壓痕技術(shù)制造的水泡陣列（右）通過水泡陣列測得的30 nm氟基聚合物-二氧化硅粘附能圖譜
參考文獻(xiàn):
Ma, J., Cahill, D. G., &?Miljkovic, N. (2020). Condensation Induced Blistering as a Measurement Technique for the Adhesion Energy of Nanoscale Polymer Films.?Nano Letters.
