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通过控制泡沫演变实现图案化取得重要突破进展

 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。 

  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, 1900-1904Adv. 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, 3928-3933Adv. Mater. 2016, 28, 1369-1374)。 

  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”(图1)。 

    

  图 1 二维泡沫演化的调控及图案化 

  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(图2)。 

  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, 14110 doi: 10.1038/ncomms14110。 

    

  图2 气泡模版法制备透明导电膜 

 

文章来源:中科院化学所,同时被中科院之声收录。