Sommario Si riporta un approccio basato sul “wrinkling” superficiale per studiare l’evoluzione temporale delle proprietà meccaniche di film sottili (thin films) durante il processo di essiccazione e solidificazione. Il film in oggetto è formato da un sale inorganico (cloroidrato di alluminio), glicerolo e acqua. La soluzione ternaria viene depositata su un supporto di polidimetilsilossano (PDMS), formando un ‘bilayer’ che viene periodicamente sottoposto a deformazione meccanica al fine di indurre la formazione di pattern superficiali. Le criticità del metodo proposto includono la necessità di ossidare la superficie del PDMS (idrofoba) prima della deposizione della soluzione, per consentire un adeguato wetting superficiale. L’essiccazione del film viene studiata in funzione del tempo e della composizione della soluzione. Viene osservato un vasto range di morfologie superficiali: deformazioni sinusoidali a singola lunghezza d’onda, deformazioni sinusoidali a doppia lunghezza d’onda dovute alla formazione di una “crosta” sul film, increspature associate a fenomeni di localizzazione degli sforzi e fratture. L’evoluzione del modulo elastico viene quindi quantificata durante la fase di formazione di pattern sinusoidali, impiegando semplici modelli a doppio layer. Il metodo si prospetta come un semplice e robusto strumento per la caratterizzazione meccanica dinamica di film sottili.

Parole chiave wrinkling, modulo elastico, film sottili, essiccamento

Abstract We report a time-resolved approach to probe the mechanical properties of thin films during drying and solidification based on surface wrinkling. The approach is demonstrated by measuring the modulus of a ternary system comprising an inorganic salt (aluminum chlorohydrate), a humectant (glycerol), and water across the glassy film formation pathway. The topography of mechanically induced wrinkling of supported films on polydimethylsiloxane (PDMS) is experimentally monitored during mechanical extension and relaxation cycles. Nontrivial aspects of our method include the need to oxidize the (hydrophobic) PDMS surface prior to solution deposition to enable surface wetting. Film drying is studied as a function of solution concentration and time, and a range of pattern morphologies are found: sinusoidal wrinkling, transient double-wavelength wrinkling accompanying film “crust” formation, ridging associated with stress localization, and cracking. We quantify the evolution of the elastic modulus during the sinusoidal wrinkling stage, employing a bilayer model. The method provides thus a simple and robust approach for the mechanical characterization of out-of-equilibrium thin films.

Keywords wrinkling, elastic modulus, thin films, drying