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化学所在印刷实现精细组装和图案化研究方面取

发布时间:2019-07-14 04:35编辑:化学科学浏览(132)

    实现不同尺寸颗粒的精细组装对于制备复杂结构材料和功能器件具有重要意义。目前已经被广泛研究的实现颗粒组装的方法,通常需要对颗粒表面进行特异性修饰或借助特殊外场诱导,且控制组装结构的长程取向会受到极大限制。因此,发展普适便捷、绿色高效的组装方法具有重要的科学价值和应用前景。印刷技术是一种利用模板和油墨在基材上实现图案化的重要方法。如果将含有微纳米颗粒的液体作为油墨,利用模板控制液体干燥过程中的颗粒组装,就可以简便快捷地实现微纳米结构的精细组装和图案化。

    多种颗粒的组装,由于其组装结构的多样化和不同成分之间的协同作用,对于新型光电器件和生物医学领域具有重要作用。以往的研究往往基于颗粒间的相互作用在体相组装,主要方法有配体引导、置换溶剂和外场控制等,但是这些方法在图案化方面仍有较多限制。利用模板实现图案化是一种高效精确的方法,已报导的模板法有通过光刻模板、碳纳米管或者分子自组装纳米孔道的固体限域,但是这些模板对于不同的颗粒通常没有选择性,只能通过多次繁琐操作组装不同的组分。通过液体软模板限域的方法可以实现无特异性修饰或功能化颗粒的精确组装,是微纳米颗粒精细图案化的一种简便方法。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中科院化学所绿色印刷重点实验室的科研人员在纳米材料的图案化组装(Adv. Mater.2014, 26, 6950-6958; Adv. Mater. 2015, 27, 3928–3933)、光子晶体芯片制备(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5791-5795;Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6911–6914)、控制打印液滴实现高分辨图案(Adv. Mater. 2013, 25, 6714–6718;Adv. Mater. 2016, 28, 1420–1426)等领域开展了系统而深入的研究。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中科院化学所绿色印刷重点实验室科研人员近年来致力于纳米绿色印刷技术的研究和应用,在利用微模板实现复合微纳颗粒的精细图案化组装方面取得了一系列进展(Angew. Chem. Int. Ed. 2017,澳门微尼斯人娱乐, 56, 15348-15352; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 18-21; Chem. -Eur.J.,2018,24,16196-16208.)。

    在上述研究的基础上,他们设计了在在模版和基材之间毛细液桥的方法,通过控制液体限域空间,巧妙地实现了颗粒在液体限域下的可控精确组装和图案化。对于含有单一尺寸的颗粒,颗粒逐步组装,首先形成中间态结构,之后向最终结构转变的过程受到体系粘度的影响。通过控制体系粘度,可以得到精细的锯齿型和线型组装结构。对于含有两种不同尺寸颗粒的液体,由于液体是逐渐收缩的,大小颗粒在液体限域条件下发生程序化组装,大颗粒首先被限域,作为模板与后来被限域的小颗粒发生共组装。通过控制液体限域空间和颗粒的组成,成功实现了多种有序一维共组装结构的精细调控。利用组装区域的延伸方向受到液体的限制,实现了组装结构的取向控制和图案化。这种利用模板控制液体限域控制颗粒组装图案化的方法,是纳米印刷技术在先进制造领域的一大突破,对微纳米材料精细图案化和功能器件的印刷制造具有重要意义。研究成果发表于近日出版的德国应用化学 (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15348–15352) 和美国化学会志(J. Am. Chem. Soc.2018,140,18–21),并应邀撰写了相关综述(Angew. Chem. Int. Ed.2018, DOI: 10.1002/anie.201704752)。

    在以上研究的基础上,他们与中科院力学研究所合作,设计了液体软模板限域颗粒组装的方法。利用光刻硅柱或3D打印模板,与含有微纳米颗粒的悬浮液及基材构筑三明治结构。控制模板与基材的间距,随着溶剂的挥发,在模板的突出结构周围产生毛细液桥。他们详细研究了多成分颗粒在液桥内的组装过程和影响因素,并建立物理模型系统分析了液体软模板的限域空间和颗粒尺寸的关系对最终组装结构的影响。通过控制模板的尺寸形状、模板的后退角、以及液体的去浸润方向,形成了微纳米颗粒尺寸分选的多种复杂组装结构图案。该方法无需颗粒间的特异性相互作用,因此能普遍适用多种材料的颗粒共组装,对纳米印刷精细图案及新型器件具有重要意义。该研究成果发表于近日的(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16126-16130)上。

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    图1 颗粒组装形成锯齿形和线型的结构图案

    图1.液体在超亲水模板上退浸润实现双颗粒环状组装结构

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    图2 二元颗粒共组装形成不同的精细结构图案

    图2.液体在疏水模板上退浸润实现颗粒分离的组装图案

    绿色印刷院重点实验室

    绿色印刷院重点实验室

    2018年2月11日

    2018年12月7日

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