納米粒子薄膜1分鐘完成自我裝配
勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗室材料科學(xué)部門(mén)的聚合物科學(xué)家徐婷(Ting Xu)帶領(lǐng)的研究將基于嵌段共聚物的超分子與金納米顆粒相結合，從而創(chuàng )造了一種納米復合材料，后者在經(jīng)過(guò)溶劑退火處理后會(huì )迅速自我裝配并形成分層級的結構薄膜，橫跨面積達到平方厘米級。這種技術(shù)與當前的納米加工過(guò)程相兼容，并具有產(chǎn)生新光學(xué)涂膜系列以用于一系列廣泛領(lǐng)域的潛力，包括太陽(yáng)能、納電子學(xué)和計算機存儲器。這項技術(shù)甚至能為超材料以及具有非凡光學(xué)特性的人造納米構建物(nanoconstruct) 的制造開(kāi)啟新的大門(mén)。
“我們的技術(shù)能夠在大至硅片的區域上快速產(chǎn)生不可思議的納米顆粒裝配，”徐這樣說(shuō)道，她同時(shí)也任職于美國加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程學(xué)院和化學(xué)學(xué)院?！澳憧梢詫⑺胂蟪梢粋€(gè)薄煎餅的面糊，可以在平底煎鍋上攤開(kāi)，一分鐘后就可以享用新鮮出爐的煎餅了?！?/p>
納米粒子就像具有獨特光學(xué)、電子學(xué)和機械特性的人造原子。如果能夠誘發(fā)納米粒子進(jìn)行自我裝配以形成復雜結構和分層級的樣式，類(lèi)似于蛋白質(zhì)的結構，那么它將實(shí)現大批量生產(chǎn)比現代微型工藝學(xué)使用的小一千倍的設備。
徐和她的研究小組正在朝這個(gè)終極目標穩定的前進(jìn)。近期他們的研究重心在于使用基于嵌段共聚物的超分子溶劑引導納米粒子陣列的自我裝配。超分子是作為單一分子執行特定功能集的分子群組。嵌段共聚物是非常長(cháng)的序列，或者一種束縛在另一種類(lèi)型單元結構上的單元結構，它具有在肉眼可見(jiàn)的距離范圍內自我裝配成界限清楚、納米大小的結構陣列的內在能力。
“基于嵌段共聚物的超分子能夠自我裝配并形成大范圍的具有微疇特征的形態(tài)學(xué)，一般為幾納米至幾十納米?！毙煺f(shuō)道?！翱紤]到它們的大小可以與納米粒子相比擬，超分子的微疇提供了納米粒子陣列自我裝配的理想結構框架?！?/p>
在由徐和同事修改后的超分子技術(shù)里，金納米粒子陣列成為超分子溶劑的一部分，以形成大約200納米厚的薄膜。通過(guò)溶劑退火并利用三氯甲烷作為溶劑，納米粒子陣列可以形成三維的圓柱體微疇，后者被塞入與表面平行的扭曲六方晶格內。納米粒子自我裝配的這種分層級結構控制的陳列讓人印象深刻，但它也僅僅是這項最新技術(shù)的一部分。
“為了與納米加工過(guò)程相兼容，自我裝配的制造過(guò)程必須在幾分鐘內完成以最小化因暴露在加工環(huán)境里而導致的納米粒子特性的退化?！毙煺f(shuō)道。她和她的研究小組系統的分析了超分子納米復合材料薄膜暴露在溶劑蒸汽里自我裝配的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。他們發(fā)現通過(guò)最優(yōu)化單個(gè)參數，也即溶劑的量，裝配動(dòng)力學(xué)可以精確的調節以實(shí)現在1分鐘內產(chǎn)生分層級結構的薄膜。
“為了利用非共價(jià)鍵連接在聚合物側鏈的小分子來(lái)建造基于嵌段共聚物的超分子，我們改變了能量全景圖使得溶劑含量成為最重要的因素，”徐說(shuō)道?！斑@使得我們能夠利用少量的溶劑來(lái)實(shí)現納米粒子陣列的快速定序?！?/p>
納米復合材料薄膜的光學(xué)特性取決于單個(gè)納米粒子的特性以及不同方向上界限清楚的納米粒子間距離?？紤]到金納米粒子的維度至少比可見(jiàn)光波長(cháng)小一個(gè)數量級，徐和同事研發(fā)的超分子技術(shù)在用于制造超材料方面具有巨大的潛力。這些人造材料在近些年獲得了極大地關(guān)注，因為它們的電磁特性是自然材料難以達到的。例如超材料可以有負的折射率，也即能夠向后彎曲光線(xiàn)，這與只能向前彎曲光線(xiàn)的自然材料有所不同。
“我們的金納米復合材料薄膜表現出強大的依賴(lài)波長(cháng)的光學(xué)各向異性，通過(guò)改變不同的溶劑就可以實(shí)現，”徐說(shuō)道?！斑@提供了制造超材料的平板印刷術(shù)的可行替代方案?！彪m然徐和同事在他們的薄膜里使用了金納米粒子，但這種超分子方法與其它化學(xué)成分的納米粒子也兼容?！袄门c現代廣泛應用的納米加工過(guò)程——包括刮涂、噴墨印刷和動(dòng)態(tài)區退火——相兼容的技術(shù)，我們應該能夠創(chuàng )造一個(gè)具有操縱光和其它特性的納米粒子裝配庫?！?徐說(shuō)道。這項研究被發(fā)表在期刊《自然通訊》上。這篇文章的其它合作作者還包括約瑟夫·考(Joseph Kao)、卡利·索克爾森(Kari Thorkelsson)、皮特·白(Peter Bai)、張振(Zhen Zhang)和孫誠(Cheng Sun)。
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