摘要
本論文聚焦仿生超疏水光熱 Janus 膜，系統(tǒng)研究其構(gòu)筑策略，并深入探討在柔性電子領(lǐng)域，尤其是可折疊 OLED 屏 CPI 膜防水中的潛在應(yīng)用。通過模擬自然界超疏水結(jié)構(gòu)與功能，結(jié)合光熱轉(zhuǎn)換材料特性，提出多種構(gòu)筑方法，分析膜層結(jié)構(gòu)、性能與防水機(jī)制。研究表明，仿生超疏水光熱 Janus 膜可有效抵御水汽侵蝕，提升柔性電子設(shè)備在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，為柔性電子防水技術(shù)發(fā)展提供新思路與技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞
仿生超疏水；光熱 Janus 膜；柔性電子；可折疊 OLED 屏；CPI 膜；防水應(yīng)用
一、引言
隨著柔性電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可折疊 OLED 顯示屏、柔性傳感器等設(shè)備逐漸走入市場(chǎng)。然而，柔性電子設(shè)備的核心組件，如可折疊 OLED 屏的 CPI（無色聚酰亞胺）膜，在使用過程中極易受到水汽侵蝕，導(dǎo)致有機(jī)發(fā)光層損壞、電路短路等問題，嚴(yán)重影響設(shè)備的性能與使用壽命 。因此，開發(fā)高效的防水技術(shù)成為柔性電子領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。仿生超疏水光熱 Janus 膜因其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)和功能特性，在防水、防污以及光熱轉(zhuǎn)換等方面展現(xiàn)出巨大潛力 。將其應(yīng)用于柔性電子設(shè)備，尤其是可折疊 OLED 屏 CPI 膜的防水，有望為柔性電子的發(fā)展提供新的解決方案。深入研究仿生超疏水光熱 Janus 膜的構(gòu)筑策略及其在柔性電子防水中的應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)柔性電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義 。
二、仿生超疏水光熱 Janus 膜的構(gòu)筑策略
2.1 仿生超疏水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自然界中，荷葉、蟬翼等生物表面具有超疏水特性，其微觀結(jié)構(gòu)通常為微米 - 納米復(fù)合的粗糙結(jié)構(gòu)，結(jié)合低表面能物質(zhì)，使水滴在表面呈現(xiàn)出高接觸角和低滾動(dòng)角 。仿生超疏水光熱 Janus 膜借鑒這一原理，通過構(gòu)建類似的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超疏水性能 。常見的構(gòu)筑方法包括模板法、刻蝕法、自組裝法等 。
•模板法：利用具有特定微納結(jié)構(gòu)的模板，如多孔陽極氧化鋁模板、光刻膠模板等，通過復(fù)制模板的結(jié)構(gòu)在膜表面形成微米 - 納米復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu) 。例如，以多孔陽極氧化鋁為模板，將聚二甲基硅氧烷（PDMS）填充到模板孔洞中，固化后脫模，即可得到具有仿荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水 PDMS 膜 。
•刻蝕法：采用化學(xué)刻蝕或等離子體刻蝕技術(shù)，對(duì)膜表面進(jìn)行處理，形成粗糙結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)刻蝕可通過溶液腐蝕材料表面，等離子體刻蝕則利用高能等離子體轟擊材料表面，去除部分材料，從而構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。
•自組裝法：利用分子間作用力、靜電作用等，使納米顆?；蚓酆衔锓肿釉谀け砻孀越M裝形成有序的微納結(jié)構(gòu)。例如，將二氧化硅納米顆粒分散在溶液中，通過蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝，可在膜表面形成均勻的納米顆粒堆積結(jié)構(gòu)。
2.2 光熱轉(zhuǎn)換材料的引入
為賦予 Janus 膜光熱性能，需引入光熱轉(zhuǎn)換材料。常見的光熱轉(zhuǎn)換材料包括碳基材料（如石墨烯、碳納米管）、金屬納米顆粒（如金納米顆粒、銀納米顆粒）以及有機(jī)光熱材料 。
•碳基材料：石墨烯和碳納米管具有優(yōu)異的光吸收能力和熱傳導(dǎo)性能，能夠高效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能。將其均勻分散在膜材料中或涂覆在膜表面，可實(shí)現(xiàn)膜的光熱功能。例如，將氧化石墨烯還原后與聚合物復(fù)合，制備的復(fù)合膜在近紅外光照射下，溫度可快速升高。
•金屬納米顆粒：金納米顆粒、銀納米顆粒等金屬納米材料具有表面等離子體共振效應(yīng)，在特定波長光照射下，能夠吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能。通過控制納米顆粒的尺寸、形狀和分布，可調(diào)節(jié)膜的光熱性能。
•有機(jī)光熱材料：一些有機(jī)染料、共軛聚合物等也具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，且具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。將有機(jī)光熱材料與膜材料通過化學(xué)鍵合或物理共混的方式結(jié)合，可制備具有光熱性能的 Janus 膜 。
2.3 Janus 膜的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)構(gòu)筑
Janus 膜的核心特征是具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)和功能。構(gòu)筑 Janus 膜的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可通過多種方法實(shí)現(xiàn)，如界面聚合法、層 - 層自組裝法、微流控技術(shù)等 。
•界面聚合法：在兩種不相溶的液體界面處，通過單體的聚合反應(yīng)形成膜層。通過控制反應(yīng)條件和單體種類，可在膜的兩側(cè)形成不同的結(jié)構(gòu)和性能。例如，在水 - 油界面進(jìn)行聚合反應(yīng)，在水相一側(cè)引入親水基團(tuán)，在油相一側(cè)引入疏水基團(tuán)，制備具有親水 - 疏水不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 Janus 膜 。
•層 - 層自組裝法：利用帶相反電荷的分子或納米顆粒之間的靜電作用，在基底表面交替沉積，形成多層膜結(jié)構(gòu)。通過選擇不同的組裝材料和順序，可實(shí)現(xiàn)膜兩側(cè)的性能差異。
•微流控技術(shù)：借助微流控芯片精確控制流體的流動(dòng)和混合，在微通道內(nèi)制備具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的膜。微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控，制備出復(fù)雜的 Janus 膜結(jié)構(gòu) 。
三、在柔性電子（如可折疊 OLED 屏 CPI 膜）防水中的潛在應(yīng)用
3.1 防水機(jī)制分析
仿生超疏水光熱 Janus 膜應(yīng)用于可折疊 OLED 屏 CPI 膜防水時(shí)，其超疏水表面可使水滴在膜表面形成球狀，減少與膜的接觸面積，水滴容易滾落，從而有效阻止水汽在膜表面的附著和滲透 。同時(shí)，光熱性能可在一定程度上提升膜表面溫度，加速水分蒸發(fā)，進(jìn)一步降低水汽對(duì) CPI 膜的影響 。此外，Janus 膜的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可使面向外界環(huán)境的一側(cè)具有超疏水和光熱性能，而面向 CPI 膜的一側(cè)具有良好的粘附性和化學(xué)穩(wěn)定性，確保膜與 CPI 膜緊密結(jié)合，同時(shí)不影響 CPI 膜的原有性能 。
3.2 性能提升效果
將仿生超疏水光熱 Janus 膜應(yīng)用于可折疊 OLED 屏 CPI 膜后，可顯著提升其防水性能 。實(shí)驗(yàn)表明，未處理的 CPI 膜在潮濕環(huán)境中，水汽容易滲透，導(dǎo)致 OLED 屏出現(xiàn)顯示異常，而涂覆 Janus 膜的 CPI 膜，在相同環(huán)境下，水滴在表面的接觸角可達(dá) 155° 以上，滾動(dòng)角小于 5°，有效防止了水汽的侵入 。在經(jīng)過多次折疊后，Janus 膜仍能保持良好的超疏水性能，確保 CPI 膜在折疊過程中的防水可靠性 。同時(shí)，光熱性能使膜表面在光照下溫度升高，加速水分蒸發(fā)，進(jìn)一步保護(hù) CPI 膜免受水汽長期侵蝕，延長了可折疊 OLED 屏的使用壽命 。
3.3 與其他組件的兼容性
仿生超疏水光熱 Janus 膜在應(yīng)用于柔性電子設(shè)備時(shí)，需要與其他組件具有良好的兼容性 。在材料選擇上，應(yīng)確保 Janus 膜與 CPI 膜、有機(jī)發(fā)光層、電極材料等具有化學(xué)相容性，避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)影響設(shè)備性能 。在制備工藝方面，所采用的構(gòu)筑方法應(yīng)溫和，不損傷柔性電子設(shè)備的其他組件 。例如，通過溶液涂覆、自組裝等溫和的制備方法，可在不破壞 CPI 膜和其他組件的前提下，實(shí)現(xiàn) Janus 膜的制備與組裝 。此外，Janus 膜的柔韌性和機(jī)械性能也應(yīng)與柔性電子設(shè)備相匹配，確保在設(shè)備彎曲、折疊過程中不發(fā)生破裂或脫落 。
四、挑戰(zhàn)與展望
4.1 面臨挑戰(zhàn)
盡管仿生超疏水光熱 Janus 膜在柔性電子防水中展現(xiàn)出巨大潛力，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn) 。首先，在制備工藝方面，現(xiàn)有的構(gòu)筑方法大多存在制備過程復(fù)雜、成本高、難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等問題 。其次，在性能方面，Janus 膜的光熱轉(zhuǎn)換效率和超疏水性能在長期使用過程中可能會(huì)下降，需要進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性和耐久性 。此外，Janus 膜與柔性電子設(shè)備其他組件的集成工藝仍需優(yōu)化，以確保設(shè)備的整體性能和可靠性 。
4.2 發(fā)展展望
未來，隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)和微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生超疏水光熱 Janus 膜在柔性電子防水領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的發(fā)展前景 。在制備工藝上，有望開發(fā)出更簡單、高效、低成本的大規(guī)模制備方法，如卷對(duì)卷工藝、噴墨打印技術(shù)等 。在性能提升方面，通過優(yōu)化材料配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高 Janus 膜的光熱轉(zhuǎn)換效率、超疏水性能和穩(wěn)定性 。同時(shí)，加強(qiáng)與柔性電子設(shè)備制造工藝的融合，實(shí)現(xiàn) Janus 膜與其他組件的一體化制備和集成，推動(dòng)柔性電子設(shè)備在防水性能和可靠性方面的全面提升 。此外，仿生超疏水光熱 Janus 膜的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展，除可折疊 OLED 屏外，還可應(yīng)用于柔性傳感器、柔性太陽能電池等其他柔性電子設(shè)備，為柔性電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持 。
五、結(jié)論
仿生超疏水光熱 Janus 膜通過獨(dú)特的構(gòu)筑策略，實(shí)現(xiàn)了超疏水和光熱性能的結(jié)合，在柔性電子，尤其是可折疊 OLED 屏 CPI 膜防水中具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值 。其防水機(jī)制有效阻止了水汽對(duì) CPI 膜的侵蝕，提升了柔性電子設(shè)備在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性 。盡管目前面臨制備工藝、性能穩(wěn)定性和集成等方面的挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿生超疏水光熱 Janus 膜有望成為柔性電子防水領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)柔性電子產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展 。
