原位拉曼光谱技术揭示软接触界面的分子尺度变形机制及其在柔性电子器件中的应用

本研究针对软材料接触变形多尺度表征的难题，创新性地采用原位共聚焦拉曼光谱技术，通过追踪PDMS中2905 cm?1 特征峰强度变化，首次实现了对玻璃-PDMS接触半径（127.6±3.2 μm）和压痕深度（6 μm）的分子水平定量解析，为柔性电子器件界面优化提供了新方法论。

　　

在智能交互系统和柔性电子器件蓬勃发展的今天，弹性体材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其独特的机械性能成为关键功能材料。然而当这些软材料与其他表面接触时，会在微纳米尺度产生复杂变形，这种变形往往源自分子链的构象变化。传统成像技术如扫描电镜(SEM)和共聚焦显微镜虽能捕捉宏观形变，却难以解析分子层面的化学特征；而经典接触力学理论(如赫兹、JKR模型)虽能预测接触行为，但依赖理想化假设。这种"物理-化学"表征的断层严重制约了软材料在仿生机器人、可穿戴设备等领域的精准设计。

针对这一挑战，研究人员开展了一项突破性研究。通过构建玻璃球-PDMS模型体系，创新性地将共聚焦拉曼光谱技术引入接触力学研究。该技术利用638 nm激光激发样品，通过50倍物镜(NA=0.5)收集散射光，以10 μm步长对420×420 μm区域进行三维扫描。关键技术突破在于：1) 选择对分子构象敏感的2905 cm^?1
峰(C-H对称伸缩振动)作为特征标记；2) 建立倒置接触构型解决光路干扰；3) 通过甲基蓝标记实现精确定焦。这种非侵入、免标记的方法首次实现了接触界面化学特征与物理参数的同步获取。

研究结果

3.1 校准实验
通过玻璃-玻璃接触体系验证方法可靠性，确认1111 cm^?1
(Si-O振动)作为玻璃特征峰。三维映射显示信号强度比(I_r
)在接触区稳定在0.5左右，为后续PDMS研究奠定基线。

3.2 PDMS-玻璃实验
PDMS特征光谱显示六个特征峰，其中2905 cm^?1
峰强度最高且对界面变化敏感。z轴扫描发现该峰强度在z=4 μm处出现显著跃升，提示接触界面起始位置。

3.3 接触变形成像
三维拉曼等高图揭示：在z=4 μm平面首次观测到连续红色信号区(I_r

0.8)，对应127.2 μm接触半径，与光学测量值(127.6±3.2 μm)高度吻合。z=10 μm处信号衰减确定压痕深度δ=6 μm，与赫兹理论预测值(6.26 μm)偏差仅4.3%。值得注意的是，在z≥8 μm区域观察到离散接触斑块，首次揭示传统成像技术无法捕捉的界面非均匀性。

结论与意义
该研究开创性地将化学指纹转化为物理参数，其重要意义体现在三方面：1) 方法学上突破现有技术局限，实现10 μm尺度接触变形的原位解析；2) 理论验证方面，证实硬球-弹性体接触符合赫兹模型但存在局部偏差，为模型修正提供实验依据；3) 应用层面，为柔性电子器件(如仿生触觉传感器)的界面优化提供新工具。发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的这项成果，不仅填补了软材料"化学-力学"耦合表征的技术空白，更开辟了通过分子工程调控界面性能的新途径。未来可拓展至水凝胶等更软材料体系的研究，推动智能交互系统向分子精度迈进。