可拉伸的電子設備往往需要相應可拉伸的密封。然而，可拉伸性與可滲透性實際上是密不可分的：從分子層面來看，可拉伸且低滲透性的材料是不存在的。哈佛大學鎖志剛教授課題組收集了許多材料的水與氧氣滲透性，并且對其在平坦和褶皺兩種情況下的表現分別介紹。平坦的密封結構難以滿足同時可拉伸，低韌性和低可透性，而褶皺密封結構卻可以實現。這種褶皺結構在循環加載下：褶皺的鋁箔結構經歷數個循環后便生成疲勞裂痕并迅速擴展；而褶皺的聚乙烯和二氧化硅結構在10,000次循環后仍能維持低可透性。
近些年來可拉伸的電子設備，軟機器人，離子導電水凝膠和軟醫學設備逐漸開始浮現。考慮到長時間的使用，這些設備必然需要密封。沒有密封結構，納米銀線，納米銅線和液態金屬易氧化，可導電的聚合物易降解，水凝膠則會脫水。
1. 材料和復合結構的滲透性
圖一. 柔軟且低滲透性的材料并不存在：水滲透性和彈性模量以及氧氣滲透性和彈性模量的關系圖
在尋求可拉伸密封時，存在一個不可忽視的自然基本事實：可拉伸同時低滲透性的材料是不存在的。在分子層面，可拉伸性和滲透性是密不可分的。在彈性體中，可拉伸性是由于高分子鏈的熵彈性，高分子鏈交聯從而形成三維結構。要實現可拉伸，每一個高分子鏈包含著成百的單體并承受著無休止的熱運動。因此，小分子例如水或氧氣擴散到彈性體就像擴散到液態聚合物一樣容易。
而通過使用剛度相對高的材料作為褶皺薄膜復合結構，利用韌且低滲透性的材料（如氧化物，氮化物或石墨烯）作為阻隔層波浪形附著在基底（如塑料，彈性體）上，則可打破剛度-氣體透過性之間的轉換。
2. 剛度與透過率的轉換
圖二. 密封膜剛度-透過率轉換：a.平整 b.褶皺
假如密封層滲透性P厚度為h，那么其透過率T = P/h。當平整的薄膜被拉伸時，薄膜的剛度為Eh，其中E為彈性模量。當褶皺的薄膜被拉伸時，其剛度與Eh3/L2 成正比，L為褶皺的波長。因此，褶皺薄膜的剛度比平整薄膜的剛度小h2/L2倍，從而增大了薄膜的可拉伸性。
舉例來說，在剛度-透過率圖中畫了一條豎線，對應著OLED對密封層水蒸氣透過率的要求。豎線左方即為滿足要求的材料，所有塑料和彈性體的透過率都太高而無法用作密封層。橫線對應模量為1MPa厚度1mm的柔性設備，即剛度為103 N.m-1 。密封層的剛度不應高于設備，因而材料應在橫線的下方選擇。但圖2.a中左下方是空白即缺失，圖2.b 中左下角則包含了常用的密封材料。也就是說，平整100nm厚二氧化硅膜可以滿足透過率但太硬，而褶皺的膜可同時滿足以上要求。
3. 褶皺復合膜的制備
圖3. 將基底進行預拉伸，粘接低滲透性的薄膜。釋放預拉伸后，薄膜產生屈曲脫粘，從而形成褶皺。
圖4. 雙向和單向褶皺的不同材料組合：a, b. PE/VHB c, d. 鋁箔/VHB e, f. 二氧化硅/PDMS
4. 褶皺薄膜的性能：
a. 加載拉伸小于預拉伸時，褶皺復合膜是可拉伸的且如基底般柔軟。繼續加載則會產生分層，薄膜斷裂。
b. 在循環加載下，鋁箔/VHB復合膜易產生裂痕而失效，PE/VHB和二氧化硅/PDMS復合膜仍保持良好性能。
c. 實驗測得，褶皺復合薄膜的透過率遠小于單基底的透過率，且一個月內保持穩定不變。在10,000次單軸拉伸循環加載后，薄膜的透過率仍就很低。
圖5. 在10，000次循環單軸拉伸載荷后，水蒸氣透過性仍就很低: a,b. PE/VHB；c,d.二氧化硅/PDMS
設計可拉伸的密封層是為了聚焦于一些新問題如褶皺的疲勞，褶皺薄膜與基底之間的粘接等。換而言之，雙向褶皺的連續薄膜為可拉伸電子設備提供新的應用。
該研究工作發表在Appl. Mater. Interfaces。Paul Le Floch（哈佛大學博士）、施梅璇子（西安交通大學博士）為論文共同第一作者，美國工程院院士鎖志剛教授為論文通訊作者，西安交通大學唐敬達老師和浙江大學劉俊杰教授為論文合作作者。
論文信息與鏈接
Paul Le Floch, Shi Meixuanzi, Jingda Tang, Junjie Liu, and Zhigang Suo, Stretchable Seal
ACS Applied Materials & Interfaces Article ASAP
DOI: 10.1021/acsami.8b08910
