化学所在印刷实现精细组装和图案化研究方面取得重要进展

  • 化学所 (中国科学院化学研究所)
  • 创建于 2018-02-13
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  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。 

  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, 5791-5795Angew. 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(图1)。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(如图2)。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)。 

 

图1 颗粒组装形成锯齿形和线型的结构图案

 

图2 二元颗粒共组装形成不同的精细结构图案

 

责任编辑:黄巧