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澳门微尼斯人娱乐化学所成功在阵列碳纳米管膜

发布时间:2019-07-30 20:53编辑:化学科学浏览(129)

    图案化的碳纳米管膜由于其优越的性能一直是研究的热点,并且已经被许多研究小组成功制备。但是,预先图案化的基底是获得这种规则图案的碳纳米管膜的必要条件。然后,碳纳米管会选择性地生长在有催化剂或无掩膜的区域,从而实现其图案化。到目前为止,在阵列碳纳米管膜上直接构筑三维规则图案还未见报道。

    对液体的操控是实现很多重要工业生产和生活应用的关键过程,在微电路印刷、生物芯片、薄膜器件和微流控等方面有重要的应用。其中,一维纳米线溶液的可控输运及组装是实现有序的图案化纳米线薄膜的关键。与无序的、散乱分布的纳米线相比,多尺度分级有序的纳米线往往表现出更优异的整体协同性能和特殊的物理化学性质。

    化学所有机固体院重点实验室功能界面材料研究组提出了一种全新的方法——水滴铺展法,成功地在阵列碳纳米管膜上构筑了三维立体的具有微米尺度的规则图形。该方法突破了常规,不需要对基底预先图案化,而是直接在阵列的碳纳米管膜上组装图案。在用化学气相沉积法得到的阵列碳纳米管膜上,通过激光刻蚀制造空穴来达到控制碳纳米管膜的密度,并最终达到对图案的控制。研究表明,毛细管力和由此产生的静水膨胀力是此自组装过程的主要驱动力,不同密度的碳纳米管膜之间的压力差使碳纳米管倒伏。研究还发现,由碳纳米管构成的“墙”形成在相邻孔穴中心连线的中垂线的位置。根据此原则,成功制备了大面积的规则图形,比如,四边形,五边形,六边形,平行线。该方法还可推广应用到其他的一维有机/无机阵列纳米管/线的体系,对于构筑微器件有着重要的指导意义。本研究工作得到审稿人的高度评价,已于近日在国际权威的化学期刊Angew. Chem. Int. Ed. (9, 2004, 1146-1149)发表。

    目前,常用的溶液法制备有序纳米线薄膜的方法存在着一些局限性,如需要复杂的设备、复杂的样品预处理过程、纳米线沉积位置难以精确控制、后处理过程中纳米线重新定向等问题。因此,可控制备多尺度有序的纳米线结构依然是挑战。

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    日常生活中,人们的头发在润湿后晾干的过程中往往会粘附在一起,这是由于去浸润过程总毛细作用力下纤维阵列发生的弹性聚集现象导致的。在该过程中,纤维阵列顶端的液膜会自发的各向异性收缩,这为纳米线溶液的可控输运及组装提供了新的契机。

    图1 在阵列碳纳米管膜上利用水滴铺展法自组装形成的规则图案

    近日,北京航空航天大学的刘欢研究员课题组发展了一种简单通用的策略:利用阵列碳纳米管阵列在去浸润过程中的毛细粘弹聚集现象,实现了液膜的方向性收缩,基于此一步制备了多维取向的图案化纳米线薄膜。该方法不需要任何外部力量辅助。其原理是被纳米线溶液润湿的碳纳米管阵列在去浸润过程中,出现毛细弹性聚集现象,使纳米线溶液液膜能够在碳纳米管阵列顶部各向异性收缩,迫使液膜中随机分布的纳米线向着液膜的方向旋转、移动,最终紧密有序地排列在碳纳米管阵列顶部。在碳纳米管阵列聚集的同时,碳纳米管纱线被牵扯出来连接两个相邻的碳纳米管阵列聚集体,最终构筑了由上层X方向上水平有序排列的纳米线,下层Z方向上垂直排列的碳纳米管阵列聚集体和Y方向上连接碳纳米管阵列聚集体的碳纳米管纱线三部分组成的多维度有序的纳米线微图案。这种多维取向的图案化纳米线薄膜表现出良好的压力传感性能,灵敏度为0.32 kpa-1,有望用于构筑电子皮肤。

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    此外,取向的纳米线可以转移到不同的基底上,且转移位置精确可控,可用于构建微电路。重要的是,这种方法具有很好的普适性,适用于银、氧化锌、氧化铝等不同长径比的纳米线的有序组装,甚至可以对有生命活性的微生物进行多维取向排列,代表了一类新的操控纳米线溶液的方法。相关工作发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201900534)上,北京航空航天大学博士研究生边瑞欣为本文的第一作者。

    图2 一组水滴在碳纳米管膜表面铺展的动态照片

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    (有机固体院重点实验室供稿)

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