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先进材料,化学所通过控制泡沫演变实现图案化

发布时间:2019-07-16 10:20编辑:化学科学浏览(120)

    在中国科学院、国家自然科学基金委的大力支持下,化学所有机固体重点实验室的研究人员,在可控制备多功能化的导电聚苯胺空心微球方面取得了新的进展,相关研究结果发表在近期的Adv. Mater.(2007, 19, 2092-2096)上,并被选为该期杂志的封面。

    泡沫由于具有特殊的性能,如高比表面积、可压缩性、声波控制、光学衍射和散射、同时具有固体和液体的力学性质等,其应用涵盖了材料科学、海洋工程、环境科学、生物医药、化学工程、食品生产及微电子学等方面,对人类的生存和发展具有重要的作用。然而泡沫是一个不稳定体系,其结构会在奥斯瓦尔德熟化机制下进行演变,存在一种类似丛林法则的“弱肉强食”现象,即大的更大,小的更小,最终消失。因此,对其结构演化的有效调控成为了泡沫研究领域百余年来的一个难题。

    微/纳米结构的导电聚苯胺在分子导线、传感器、人工肌肉、微波吸收、电磁屏蔽等领域有着广泛的应用前景。但是,尺寸、形貌以及性能可控的导电聚苯胺纳米结构的制备是实现它们在技术上应用的关键。

    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,化学所绿色印刷院重点实验室的科研人员近年来在纳米材料印刷及图案化领域开展了深入系统的研究。他们在固体表面打印和构造精确可控的三维微米结构(Small**2015, 11, 1900-1904,Adv. Funct. Mater. 2015, 25,**2237-2242),突破传统印刷技术的精度极限,实现了微纳米尺度精细图案的印刷及纳米功能材料的可控组装(Adv. Mater.**2014,26,2501-2507),并发展了在印刷电子及可穿戴器件领域的应用(Adv. Mater.2015,27, 3928-3933,Adv. Mater.2016**,28, 1369-1374)。

    研究人员在具有自主知识产权的“无模板”法制备微/纳米结构导电聚合物的基础上,在没有添加任何有机或无机酸掺杂剂的条件下,通过改变氧化剂的氧化还原电位,成功地实现了导电聚苯胺纳米纤维尺寸的可控制备,并总结出定性的经验公式,为导电聚合物纳米结构的自组装和可控的制备开辟了一条简单、易行的方法(Adv. Mater. 2007, 19, 465)。随后,他们选择有机氟磺酸为掺杂剂,用无模板法制备了聚有仿红毛丹结构的空心聚苯胺微球,并提出了分别以氟磺酸的球形胶束和苯胺盐的胶束为模板的协同效应的自组装机理。该导电聚苯胺空心微球表现出优异的超疏水性能,不仅提高了导电聚苯胺的导电率的稳定性,而且还能保护腔体中的生物材料等不被污染和破坏。该具有超疏水的聚苯胺空心微球,在生物、药物等的无能量损失传输、微反应器、可控分离和释放等领域具有广泛的应用前景。

    在上述研究的基础上,他们发现这种带有微米结构的模板可以用于调控二维泡沫的演化。研究表明,在泡沫中的气泡生长演变过程中,微米结构可以对气泡的表面曲率半径进行调控,进而有效地调控泡沫的演变过程。通过微结构的调控,可以使得气泡的曲率半径不再随体积的增大而增大,甚至出现减小的情形。对应的演变也由原来的“弱肉强食”变为了“限富济贫”的反奥斯瓦尔德熟化演变模式。通过改变微结构的几何排列,泡沫会演变成所设定的图案,从而实现二维泡沫演化的“可编程性”。

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    图 1 二维泡沫演化的调控及图案化

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    这些图案化的二维气泡为高精度印刷组装功能材料提供了新思路。通过把功能材料(如纳米颗粒、导电聚合物等)加入溶液中,随着液体的蒸发,功能材料就会在气泡边界处进行组装,形成高精度的网格图案,从而实现在透明电极等光电器件上的应用。

    仿红毛丹结构的导电聚苯胺的结构和封面

    这种通过微模板控制二维泡沫演变的新模式,改变了百年来科学界对于泡沫演化难以操控的局面,实现了以阵列化气泡为模板“印刷”功能材料,进而制备纳米尺度的高精度图案等功能,是印刷技术在前沿研究领域的一大突破,也为其它类似体系的演变过程控制提供了全新的思路。该研究成果发表在Nat. Commun.杂志上(Nat. Commun.**8, 14110doi: 10.1038/ncomms14110)。

    有机固体院重点实验室

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    2007年9月30日

    图2 气泡模版法制备透明导电膜

    绿色印刷院重点实验室

    2017年2月22日

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