رطوبت پذیری سطوح پلیمری

رطوبت پذیری میانجی و سطوح پلیمری

مطالعات تجربی درمورد رطوبت پذیری در فیلم های پلیمری موضوعی است که در حال رشد است. ما در اینجا پیشرفت های چند سال اخیر در بررسی ترکیبات پلیمری مورد بررسی قرار می دهیم که عمدتآ بر انتقال رطوبت و رشد لایه های رطوبت پذیر متمرکز هستند؛ به عبارت دیگر، مخلوط هایی را بررسی می کنیم که در آنها جریان هیدرودینامیک غالب است. فعالیت هایی همچون رطوبت زدایی فیلم های پلیمری، بررسی نقش شکل گیری الگوهای ناشی از رطوبت زدایی و بسترهای الگوبرداری شده از لحاظ شیمیایی و توپوگرافی نیز صورت گرفته است. در نهایت، آزمایشاتی را جمع بندی کرده ایم که معتقد هستیم میتوانند برای پیشرفت های بیشتر در آینده مناسب باشند.

مطالعه پدیدۀ رطوبت پذیری در میانجی و سطوح پلیمری از اولین مطالعات کمّی در جداسازی سطح در پایان دهه 1980 محسوب می شود و موضوعی است که به سرعت در حال رشد است. رطوبت پذیری فیلم های پلیمری نازک نه تنها به دلیل کاربرد پلیمرها در مصارف مختلف صنعتی، بلکه به دلیل اهمیت آنها بعنوان سیستم های مدل برای بررسی نظریه های میدانی از اهمیت بالایی برخوردار است. رطوبت پذیری اهمیت زیادی در کاربردهای صنعتی دارد. در واقع، برای درک رطوبت پذیری به یک فیلم پایدار نیاز است؛ درک فاکتورهای تعیین کنندۀ میزان پایداری فیلم که مرطوب شدن سطح پلیمر را تضمین می کنند، مستلزم آن است که پدیدۀ مخالف ( رطوبت زدایی) نیز به خوبی درک شود. همچنین از روند رطوبت پذیری میتوان در بررسی شکل گیری الگو و سایر جنبه های لیتوگرافی استفاده کرد. این پدیده در حوزه بیوفیزیک به سرعت در حال رشد است. در اینجا، کاربردهای متفاوت این پدیده از زیست سازگاری گرفته تا ضرورت تولید "سطوح هوشمند" را بیان می کنیم که در پاسخگویی به خواص محیط اطراف همچون pH، غلظت یون یا دما متغیر هستند. صرف نظر از ارتباط تکنولوژی، رطوبت پذیری در میانجی و سطوح پلیمری برای درک نظریه های میدانی رطوبت پذیری ضروری است؛ علت آن را میتوان طول متغیر زنجیره های پلیمری، نوسانات دانسیتۀ نسبتآ کم و حرکت نسبتآ آهستۀ مولکول  های زنجیرۀ بلند دانست. اگرچه این نظریه ها در کل محدود به پلیمرها نیستند، اما فیزیک پلیمرها اغلب بهترین بررسی ها از این نظریات را ارائه می دهد. برای مثال میتوان نظریه تجزیه اسپینودال را نام برد که برای تفسیر فرایندهای جداسازی فاز در آلیاژهای فلزی باینری توسعه یافته بود. از آنجا که امکان بررسی سینتیک در مقیاس های طولانی وجود دارد، مشاهدات قانع کننده ای از مراحل اولیه جداسازی فاز در سیستم های پلیمری ارائه شده است.

یکی دیگر از مزایای کار با پلیمر این است که اندازه زنجیره های فردی، معمولآ چند نانومتر، با تغییر وزن مولکولی قابل تنظیم است. ازلحاظ رطوبت پذیری، این امر با مشاهده تجزیه اسپینودال سطحی در مخلوط های پلیمری به خوبی بیان شده است. در اینجا، جداسازی فاز به صورت ایزوتروپیک طبق برنامه و به خوبی پیش نمی رود، بلکه ازطریق سطح هدایت می شود؛ در نهایت، ساختار لایه ای تشکیل شده سطح زیرین را مرطوب کرده و بخش دوم بستر را تشکیل می دهد. در صورت عدم وجود اختلال حرارتی، ساختار لایه ای به عمق فیلم منتقل می شود. فرایند لایه بندی با اختلال حرارتی مختل می شود و با تغییر وزن مولکولی میتوان اختلاط پذیری مخلوط را با تنظیم آنتروپی آن، اما بدون تغییر پارامترهای ترمودینامیکی تغییر داد و با این کار، زمینۀ بررسی رطوبت پذیری بعنوان یک تابع امتزاج پذیر فراهم می شود. هدف از این مقاله بررسی تحولات اخیر در زمینه رطوبت پذیری سطوح پلیمری است. علاوه براین، موضوعات دیگری نیز مطرح هستند که ممکن است برای خواننده جالب باشد؛ برای مثال آزمایشات اولیۀ رطوبت پذیری در فیلم های پلیمری توسط کراوش به تفصیل بیان شده است یا مطالعات قبلی استام نیز ممکن است جالب باشد؛ مطالعات خود را روی میانجی های پلیمری متمرکز کرد اما بخش زیادی از آن را به تکنیک های موجود برای مطالعه آنها اختصاص داد.

در اینجا بسیاری از مواردی که مورد بحث قرار دادیم به فرایندهای فیزیکی اساسی می شود که در رفتار رطوبت پذیری فیلم های پلیمری نازک نقش مهمی ایفا می کنند. اگرچه اطلاعات ما کامل و جامع نیست، اما این موضوع نسبتآ درک شده است. در فرایند رطوبت زدایی، نحوه استفاده از مکانیسم های مختلف بی ثباتی در شکل گیری الگو مورد بحث قرار گرفته است. در اینجا، بسترهایی را بررسی کردیم که نقش مهمی در کنترل مورفولوژی لایه های پلیمری دارند. ما معتقد هستیم که این کاربردها در آینده رواج بیشتری خواهند یافت زیرا همان دانش10 سال پیش با تکنیک های جدیدتری ارائه می شود. در ادامه به بررسی چند آزمایش می پردازیم که به اعتقاد ما نقش بسیار مهمی در رطوبت پذیری فیلم های پلیمری در آینده برعهده دارند. شاید دو روش تحقیقاتی ما در آینده میتوانند موفق تر از بقیه عمل کنند: ابتدا، بسیاری از آزمایشات اساسی را بررسی کردیم و اکنون زمان آن است ببینیم که چگونه میتوان از آنها استفاده کرد؛ برای مثال قبلآ درمورد لایه های پلیمری نیمه رسانا بحث کردیم. دوم، در حین کار نحوۀ تغییر رطوبت پذیری در هندسه های غیرمعمول را در نظر گرفتیم. برای مثال، در آزمایشات انجام شده PS و SBS به نوارهایی در ماسک لیتوگرافی شدۀ PDMS محدود شده است. این پلیمر شکسته شده و حفره هایی با رطوبت زدایی بالا با وابستگی به اندازۀ نوارها ایجاد شد. این نویسندگان آزمایشات بیشتری پیرامون مورفولوژی نهایی مخلوط های PS و PB با استفاده از ماسک لیتوگرافی شدۀ PDMS انجام داده اند. آزمایشات مشابهی نیز با خطوط مشابه برای ایجاد الگوهای PMMA پس از طراحی ماسک سیلیکون انجام شد. در آزمایشات مختلف مخلوطی از PMMA و فیلم های SAN روی بسترهای سیلیکونی محدود شد. در این کار، اشکال دامنه های جدا شده از فاز به نسبت ابعاد محتوا (عرض و ضخامت لایه) بستگی دارد. دامنه های جدا شده از فاز در فیلم های پهن قابل مشاهده هستند، در حالی که این کار در فیلم های نازک محدود به نوارهای نازک بود و دامنه ها هم بیشتر به شکل کپسول بودند.

استفاده از میدان های الکتریکی برای تراز پلیمرها ضروری است؛ این میدان ها رفتاری طولانی مدت دارند و به راحتی میتوان آنها را برای کاربرد مطلوب تر تنظیم کرد. علاوه براین به دلیل بررسی فیلم های نازک، فقط میتوان از تفاوت های جزئی در ایجاد میدان های الکتریکی بزرگ کمک گرفت. ما قبلآ با استفاده از این میدان ها در القای رطوبت زدایی اشاره کردیم و همچنین بیان کردیم که با قرار دادن یک لایه هموپلیمر در میدان الکتریکی میتوان ساختار یکنواختی را ایجا کرد. با استفاده از الکترود طرح دار میتوان الگوهای خاصی را انتخاب کرد. علاوه بر انجام آزمایشات مشابه روی میانجی های پلیمر/ الیگومر و پلیمر/ پلیمر، آزمایشات مرتبط با کوپلیمر نیز عملی شده اند؛ برای مثال از میدان های الکتریکی برای تراز PS-block-PMMA در تولید سیلندرهای PMMA در ماتریس PS استفاده می شود. شستشو با حلال (همچون اسید استیک) نانوحفره های استوانه ای PMMA را از بین می برد که با کبالت پر شده اند تا نانوساختارهای مغناطیسی ایجاد کنند. طبق گزارشات یکی دیگر از ابزارهای شکل گیری الگو خنک کردن فیلم های پلیمری روی بستر شیشه، معمولآ 100 نانومتر زیر ماسک است؛ یک ویفر سلیکونی که با یک لایه سطحی سورفکتانت به منظور ایجاد یک سطح کم انرژی پوشانده شده است. در این آزمایشات اولیه، از فیلم های نازک PMMA (بین 100 نانومتر و 2 میکرومتر) استفاده شد. در حین خنک شدن، PMMA در مواجهه با گرانش افزایش یافته و ستون هایی با فاصله منظم (چند میکرومتر) در تماس با ماسک ایجاد شده است. منشأ این فرایند هنوز مشخص نیست، اگرچه ممکن است منشأ الکترواستاتیک داشته باشد. کاربرد آن در لیتوگرافی بایستی به وضوح بیان شود. از آنجا که روش ها و تکنیک های جدیدی در حال ظهور هستند، بیان این که آیا روش خاصی از شکل گیری الگوها در آینده مورد استفاده قرار خواهد گرفت، دشوار است.