塑料薄膜的光敏表层诱发薄膜运动

偶氮苯聚合物薄膜是一种特殊的材料，其表面在光照下可以改变形状。这使得这种薄膜在电视机屏幕、太阳能电池板等方面具有宝贵应用。科学家如今证实，偶氮苯聚合物薄膜并非整个膜层都需要具有光敏特性，只有最表面一层需要光敏，为降低薄膜生产成本，彻底改变其使用方式开辟了新途径。

现如今，人们普遍认为这种材料的光敏特性贯穿于整个薄膜中，但科学家们尚不清楚导致这种变形运动的原因。由日本名古屋大学Takahiro Seki博士领导的团队开始着手研究这一现象的确切成因，团队在Scientific Reports上发表了他们的研究结果。

作为其研究灵感，研究人员引用了一种已经被研究透彻的现象——马朗戈尼流（Marangoni flow）。这种现象是说，“表面张力”（粒子的一种属性，即液体最外层的粒子总是向内收缩，形成了液体的边界）的不同导致许多软的塑料薄膜以一种特殊的模式运动。这种现象最著名的例子就是“酒泪”的形成，即液滴蒸发并沿着酒杯表面滴落的现象。

研究人员决定测试紫外光是否改变了偶氮苯聚合物薄膜的表面张力，以及是否是这种改变导致了薄膜的运动。他们首先把加盖光敏薄层的偶氮苯聚合物薄膜放在紫外光下照射；随后，将加盖非光敏层的偶氮苯聚合物薄膜同样放在紫外光下照射。令人激动的是，科学家们发现加盖光敏薄层的薄膜表面结构发生了变化，而加盖非光敏层的薄膜未发生变化。Seki博士说:“这是人们首次证实，偶氮苯聚合物薄膜只需要非常薄的纳米尺度光响应层，就可以在紫外线下改变其表面形态。”

图1 薄膜示意图（左）：薄膜由200-400纳米的非光敏聚合物以及几纳米厚的光敏表面聚合物层组成。右图是薄膜照片及透过光掩模紫外光照射后表面形状。由Springer Nature的Issei Kitamura供图。

这项研究的另一项重要发现是材料的运动与光的偏振性及光线照射的方向无关。因为如果材料运动确受这两者影响的话，那说明分子层面有其他作用力影响整个薄膜，而根据Seki的研究，可能是由于紫外线引起表面化学结构的变化，改变了表面张力，从而导致膜的顶部移动。

Seki博士在评论其研究结果的应用前景时表示：“我们仍处在将这项发现引申到工业应用的开端，但是可以想象，只需非常少量的光敏材料，可以降低大量生产成本。复印机、打印机和监视器等许多光学设备依赖于偶氮苯聚合物薄膜表面的光敏变化；基于我们的研究，偶氮苯聚合物薄膜还可以用作纳米机械中的“驱动器”（设备中用于移动其他部件的部分）。”

文章“Photo-triggered large mass transport driven only by a photoresponsive surface skin layer”已于2020年7月29日发表在Scientific Reports上（DOI: 10.1038/s41598-020-69605-8）。