多功能纳米涂料

同时，例如具有对比特性的材料——，一方面是软的，另一方面是硬的，两种特性——之间的渐变可以实现全新的应用，比如防反射镜片。在自然界中，这种融合特性是很常见的，比如在贻贝或者人的眼中。基尔大学的材料科学家一直在利用这一原理开发新的纳米材料。现在他们已经成功地生产出具有这种渐变特性的超薄共聚物薄膜。作为多功能涂层，它们可以以微格式实现复杂的光学和电子应用，如微电子。他们的结果最近发表在《今日材料》杂志上，也出现在这一期的封面上。

受自然启发的材料特性

贻贝可以牢固地附着在石头或码头上，这样它们就不会被洋流分开。比如，为了使蚌壳内的软组织稳定地附着在石头的硬表面，蚌壳会形成弹性粘合线，最终会越来越硬。这是因为蛋白质混合物在纤维中从一端到另一端均匀变化。

基于这个来自大自然的原理，基尔的材料科学家开发了一种具有相似融合特性的独特薄材料，称为梯度薄膜。“为了实现这个目标，我们在纳米尺度上结合了两种具有不同特性的材料，”斯特凡施罗德解释道。他是这项研究的第一作者，目前正在攻读博士学位。多组分材料主席。本研究首次提出了一种合成等梯度聚合物薄膜的方法。施罗德和他的同事将聚四氟乙烯(聚四氟乙烯，更广为人知的商品名是“特氟隆”)与聚合物PV3D3结合在一起。例如，所得材料组合可用于涂覆飞机、冰箱或玻璃前面板，使其更容易除冰。

因此，施罗德和他的同事们利用了两种聚合物的不同特性：特氟隆不仅以其不粘特性闻名，而且具有疏水表面。因此，理想情况下，水滴会立即滚落或仅轻微冻结，这样更容易取出冰块。但是特氟隆本身很难应用到其他表面。另一方面，PV3D3的特点是附着力好。通过在纳米尺度上逐渐结合这两种材料，研究团队可以实现平稳过渡。一方面附着力特别好，另一方面保留了不同的特性。结果是涂层材料具有防水的上侧和良好粘附的下侧。

薄聚合物涂层——不太容易生产

然而，以可控的方式用聚合物涂覆表面并不容易。已经建立了用于涂覆金属或陶瓷材料的气相沉积或溅射工艺，并且已经在大规模工业规模上使用了几十年。然而，聚合物不能简单地蒸发或溅射而不分解。美国科学家卡伦k格里森(Karen K. Gleason)利用她在20世纪90年代中期在麻省理工学院开发的初始化学气相沉积(iCVD)技术提供了一种补救方法，施罗德于2017年在麻省理工学院进行了研究。

在这个过程中，气体和引发剂气体被送入衬底表面所在的反应室。热量导致引发剂的化学键断裂，引发链式反应。”博士导师弗兰茨福佩尔教授解释说，他是CAU复合材料公司的董事长，也是基尔纳米、表面和界面科学研究领域的成员。这样，引入的气体将在衬底表面“生长”聚合物膜。

基尔的材料科学家更进一步。他们不仅通过使用iCVD工艺形成了一个薄的聚合物层，而且在逐渐过渡的过程中结合了两种聚合物。在引入V3D3单体后，他们加入了聚四氟乙烯沉积的原料，并不断增加其浓度。同时，他们降低了V3D3的含量，使两者都在基体上形成聚合物薄膜，并从基体表面逐渐由纯PV3D3聚合物过渡到纯PTFE薄膜。

一类新的有机梯度纳米材料

在iCVD技术中，许多过程是并行进行的。“如果单个参数(如衬底温度或反应器中的单体气体压力)发生变化，最终材料将获得不同的特性。然而，为所需的特征找到正确的参数是非常复杂的，”施罗德解释说。因此，他为他们椅子的传统iCVD系统配备了一台开放式离子源四极质谱仪。它可以在原位观察反应室中的过程，并同时调节引发剂和两种单体的气体混合物的组成。

由于这种高精度的控制，研究小组可以合成一个只有21纳米厚的聚合物梯度层。相比之下，人类头发的直径约为5万纳米。以前，只有宏观梯度是可能的。该工作组的研究助理托马斯斯特伦斯库斯博士说：“这样一种薄的梯度薄膜实际上是一项世界纪录，也是一种新的有机梯度纳米材料。”特别是在光学应用中，只有几纳米的涂层是至关重要的，例如，为了不损坏窗户或透镜的光学特性第一批与涂料和空调技术行业合作伙伴的项目已经准备就绪。

研究中介绍的工艺也可用于实现具有新的化学和物理材料特性的其他聚合物组合。纳米尺度的聚合物薄膜也很有意思，比如用于MEMS技术(微机电系统)的柔性微电子元件和传感器，或者转移到纳米尺度分子机器上的机械过程。

公布的结果也将流入几个受亲属保护的研究协会的工作中。“这些是材料科学的基本工具。其应用范围从提高传感器功能层的附着力，到开发控制药物释放的材料，再到分子机器，”福佩尔说。