编者按：力学研究所非线性力学国家重点实验室赵亚溥研究团队近期在薄膜的界面剥离研究中取得重要进展，该项工作得到了国家自然基金委重点项目(Nos.12241205, 12032019) 和科技部重点研发计划(No. 2022YFA1203200) 等项目的支持。相关论文被Nature Communications期刊选为亮点推荐文章。本刊特此发布介绍这项研究成果的题为《薄膜剥离的新模式》的科普文章，以飨读者。

薄膜剥离的新模式——电毛细剥离动力学的提出和实现

李培柳  黄先富  赵亚溥

薄膜剥离力学的本质是研究薄膜和黏附基底之间的相互作用关系，它所涉及的研究范畴和应用领域非常广泛，具有重要的研究价值和应用前景。例如：在半导体工业中，把薄膜层从衬底上剥离便可以实现芯片的二次加工，应用于新的材料层或制造新型器件结构等。回顾经典的薄膜剥离力学模型，人们可以得知，薄膜剥离过程的剥离力与剥离角是呈负相关的，换句话说，就是剥离力越大，剥离角越小。这里，剥离力是指作用在薄膜上的拉力F，剥离角是指薄膜从黏附基底上剥离的角度θ (如图1a所示)。一般来说，当薄膜与基底的性质确定时，剥离角小(θ₁) 时所需的剥离力(F₁) 大，这样薄膜的拉伸应变就大(如图1b所示)（这里提及的力学术语“拉伸应变”，是指在外力作用下，物体发生的拉伸变形）。具体来说，当物体受到拉伸力时，它的长度会增加，这种长度的变化与原始长度的比值就是拉伸应变。‌为了减小剥离力，可以通过增加薄膜剥离过程的剥离角(θ₂)。如图1b所示，此时薄膜的转动变形变大但剥离力(F₂)却变小了。这也说明，薄膜通过经典力学模式剥离时，降低薄膜的拉伸应变与减小薄膜的转动变形是不可兼得的。经典的薄膜剥离力学模型在日常的生活中应用广泛，例如：在剥离胶布时，剥离角小时，胶布剥离的难度大且易发生变形；剥离角大时，胶布剥离的难度小。

图1 经典的薄膜剥离力学模型（图片来源：作者自绘）

近年来，多层柔性薄膜系统被广泛应用于纳微系统、柔性电子、软体机器人和生物医学设备等新兴应用领域。例如：微机电系统/纳机电系统（MEMS/NEMS）中的典型部件——石墨/聚酰亚胺复合材料传感器、柔性电子领域的电子皮肤(Electronic skin)、软体机器人中的织物与柔性基体复合形成的柔性腔壁等等。在这些重要的应用领域中，柔性薄膜通常作为功能性器件/结构的基底材料。由于柔性薄膜的力学性能与功能性器件/结构的力学性能一般存在较大差异，薄膜的应变大或变形大都容易造成薄膜表面功能性器件/结构的破坏和失效，如：脱胶、剥落、断裂等。因此，经典薄膜剥离力学面临着重大的挑战，亟需发展新的薄膜剥离力学以实现薄膜的简单、无损剥离。

近期，中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室赵亚溥研究团队在薄膜的界面剥离研究中取得重要进展，提出了薄膜的电毛细剥离方法(Electro-capillary peeling, ECP)。这个方法利用电场诱导电解质溶液在紧密结合的薄膜-基底界面结合层中均匀对称铺展，将薄膜-基底从“固-固”结合形式转化为薄膜-液体-基底的“固-液”结合形式，实现薄膜从基底(ITO玻璃) 表面的超低应变剥离。因为在力-电耦合下移动接触线问题的研究中，赵亚溥团队发现了力电场下的液膜具有超薄的液体前沿，它仅有1-2个分子的尺寸，而且液膜前沿的受力具有垂直向上的特性。这些特征符合经典薄膜剥离力学所追求的拉伸应变小且转动变形小的目标(类似于日常生活中常见的“撬起”动作)。基于这一发现，赵亚溥研究团队提出了薄膜的电毛细剥离方法。以圆形溶液区为例，电解质溶液在电场作用下润湿薄膜-基底的界面结合层，并在界面结合层中铺展，铺展边界具有轴对称的特点(如图2所示)。

图2 电毛细剥离动力学模型（图片来源：作者自绘）

在这项工作中，作者利用自行搭建的力-电耦合跨尺度实验平台，研究了薄膜的电毛细剥离过程。实验结果表明：薄膜与基底黏附边界处的电解质溶液在垂直电场(0.1-4.5 V) 的作用下，会渗入薄膜与基底紧密结合的界面层中，并在该界面层中均匀、对称地扩展(参见图3)。在电场不变时，电解质溶液向前扩展的速率基本恒定，直至实现薄膜从黏附基底的完全剥离。研究结果证明：一滴20 μL的电解质液滴可实现半径约3 cm PDMS薄膜的剥离。

图3 电毛细剥离方法（图片来源：作者提供的实验图片）

    图4则给出在力-电耦合跨尺度实验平台上，一次典型的电解质液滴铺展历程，时间t从0秒开始直至75秒终止。每幅图片均是俯视图（Top views），分别展示了t=0,15,30,45,60,75秒等6个不同时刻的电解液的前沿位置。

图4 典型的电解质液滴铺展历程（图片来源：作者提供的实验图片）

为了进一步探讨电毛细剥离方法的实用性，作者系统地研究了电毛细剥离动力学的多种特性，主要包括：超低应变、主动控制及广泛适用等，并给出了如下结果：

1)超低应变。在相同的剥离条件下，薄膜通过电毛细剥离方法剥离的应变远低于通过传统剥离方法剥离的结果。以弹性模量为1.0 MPa且厚度为100 μm的PDMS (聚二甲基硅氧烷) 薄膜为例，PDMS薄膜通过电毛细剥离方法剥离的应变相较于鼓包法剥离薄膜的结果，大约降低了86% (如图5a所示)，这是非常具有吸引力的。

2)主动控制。不同电压下的电毛细剥离结果显示，电毛细剥离行为具有电场主动控制特性。在相同剥离时间下，电毛细剥离长度与施加电压成正比，剥离效率随着施加电压的增大而增大。在实际应用中，通过调节施加电压的大小可实现实时调控电毛细剥离行为。

3)广泛适用。不同厚度、弹性模量和类型薄膜（如：水凝胶、PDMS、PEN和PET等）的电毛细剥离结果显示，电毛细剥离方法具备广泛的适用性。电毛细剥离方法可轻易剥离界面能从30~3600 mJ/m²的薄膜，几乎适用于应用领域所有的柔性薄膜。另外，作者还发现电毛细剥离方法的应用要求极低，可通过酸、碱、中性水溶液或常见有机溶液来实现；同时电毛细剥离方法在长时间、长距离的剥离过程中性质稳定，可适用与大面积、大尺寸薄膜的剥离。

图5 电毛细剥离动力学特性（图片来源：作者提供的实验图片）

目前该工作已以“Electro-capillary peeling of thin films”为题发表于《Nature Communications》期刊，审稿人评价该工作“开辟了薄膜剥离的新方向”、“可以看到及时且直接的应用前景”(Overall, the manuscript presented a new and interesting new direction in thin film processing. The science of the work is rigorous and thorough. I can also see direct and immediate societal impacts)。它还入选为该期刊领域的亮点推荐文章(Featured Article)。

图6 入选Nature Communications期刊应用物理学和数学领域的亮点推荐文章

（图片来源：刊物实照）

参考文献

[1] Li PL, Huang XF, Zhao Y-P. Electro-capillary peeling of thin films. Nature Communications, 2023, 14: 6150.

论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-023-41922-2