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中科院化學所宋延林/喬雅麗研究員團隊 JACS:圖案化氣泡快速生成的準一維彎曲界面誘導Janus顆粒長程取向組裝
2023-01-23  來源:高分子科技

  自LB薄膜技術發明以來,流體界面組裝技術被認為是制備高精度長程有序薄膜的有效方法,并具有應用于圖案化先進集成器件制造的潛力。如何快速產生流體界面抑制體相競爭組裝,并強化流體限域作用抑制界面處無序運動,是圖案化流體界面組裝中的關鍵問題。另一方面,以Janus納米顆粒(JNPs為代表的高分子-膠體雜化材料具有豐富的形狀/功能可編程性,在制備新型光電器件上具有廣泛應用前景。然而,形態不對稱性所帶來的熵效應使得其進行長程有序的定向組裝和器件制造面臨巨大挑戰。


  近日,中科院化學所宋延林研究員、喬雅麗研究員與清華大學楊振忠教授合作,利用雪人型Janus顆粒為非對稱雙親性模型體系,提出了一種氣泡驅動的快速準一維圖案化界面策略,實現了Janus顆粒取向可控(同軸或異軸)長程有序超結構。研究發現,模板化氣泡的快速形成在動力學上有利于界面定向,而弧形液橋中封閉的準一維界面可以約束顆粒的無序旋轉,產生遠距離的良好定向JNPs鏈。同時,蒸發過程中顆粒的界面取向可以轉移到干燥后的組裝結構中(1)。 


1氣泡驅動快速準一維界面策略構建Janus顆粒長程取向可控組裝體


  與傳統的流體-流體界面組裝類似,基底相互作用和流體對流作用也對組裝具有影響。相圖調控組裝實驗表明,對于Janus-1/SDS體系,低接觸角有利于構建長程取向結構,而在Janus-2/CTAB體系中卻高接觸角條件有利。上述現象可以通過顆粒和基質之間的同種電荷相斥進行解釋。此外,表面活性劑可以誘導馬蘭戈尼流抑制咖啡環效應,合適的表面活性劑濃度也至關重要。總的來說,顆粒的界面排列在動力學上與體相聚集以及基質吸收相競爭,賦予前者優勢有利于獲得超長的單顆粒取向有序結構(2)。 


2氣泡輔助界面組裝策略的影響因素


  通過調節Janus顆粒的兩親性(SiO2/PS體系為Janus-1SiO2一側修飾氨基后為Janus-2)與表面活性劑可以調控組裝結構取向。Zeta電位測試和表面張力測試表明,Janus-1/SDS體系可以保持相對的疏水-親水”微結構,界面直立取向導致最終的異軸組裝。而對于Janus-2/CTAB親水-親水”微結構保證了界面平躺取向,導致了最終的同軸組裝。理論分析表明,快速形成的準一維界在動力學上對顆粒的界面取向行為至關重要,也是組裝體系在蒸發過程中維持有序性的關鍵因素(3)。 


3氣泡輔助界面組裝策略中Janus顆粒取向機制


  作者進一步研究了取向結構的光學各向異性,并展示了其在邏輯器件中的應用前景。對于一維單顆粒取向結構,Janus顆粒的排列方向可以與鏈方向耦合,從而加強同軸鏈的各向異性,削弱異軸鏈的各向異性,同軸與異軸結構的光散射行為由此表現出不同偏振響應性。將激發光和散射光的偏振狀態被用作輸入,鏈的散射光譜被定義為輸出后,可以利用組裝結構構建邏輯器件。其中,同軸鏈顯示出門的行為,而異軸鏈顯示出門的行為4)。 


4. Janus顆粒長程有序組裝體取向依賴的偏振光散射性質


  這項工作證明了氣泡模板在構筑準一維圖案化界面與實現可控取向組裝方面的巨大潛力,并顯示了不對稱Janus顆粒的定向組裝超結構在構建新型光電器件方面的廣闊前景。該工作以“Orientation-Controlled Ultralong Assembly of Janus Particles Induced by Bubble-Driven Instant Quasi-1D Interfaces”為題發表于《Journal of the American Chemical Society》上DOI: 10.1021/jacs.2c11429)。文章第一作者是中國科學院化學研究所博士生高杰,通訊作者是中科院化學所喬雅麗研究員、宋延林研究員和清華大學楊振忠教授


  該工作是宋延林/喬雅麗團隊利用氣泡模板印刷策略實現圖案化集成器件與高精度組裝制造的最新研究進展之一。泡沫處于牛頓黑膜狀態時,其表面活性物質具有理想型的有序排列和分子級精度組裝形式。基于此,團隊率先提出了微模板操控二維泡沫圖案化的新策略(Nat. Commun. 20178, 14110),發展了氣泡模板用于有機功能分子高精度圖案化的新方法(Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 16547Sci. Sin. Chin. 2022, 52, 209InfoMat 2022, 4, e12323),并用于光電功能材料與器件制備(Nano Energy, 2021, 89, 106384)。


  原文地址:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c11429


通訊作者介紹:



喬雅麗,中國科學院化學研究所研究員、博導,中科院百人計劃。2011年博士畢業于中科院化學所有機固體實驗室,師從朱道本院士。2012-2018年先后赴美國南卡羅萊納大學、美國哥倫比亞大學從事博士后研究工作。20189月加入中科院化學所綠色印刷重點實驗室宋延林研究員團隊。回國至今,聚焦于分子圖案與器件印刷,在多功能材料精準可控圖案化方面取得了系列突破,利用表界面調控與軟限域誘導思想,發展了氣泡模板分子印刷、應力輔助微模板印刷、多尺度彎液面操控等先進印刷方法,實現了高精度、高集成、高取向可控組裝與圖案化,為光電器件制造從“光刻”到“印刷”的技術變革提供了新的理論和技術基礎。在Prog. Polym. Sci.InfoMatAdv. Mater.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.等國際重要期刊上發表SCI論文39 篇;申請發明專利8項,3項已授權(含美國發明專利1項)。



宋延林,中國科學院化學研究所研究員,中科院綠色印刷重點實驗室主任。主要從事納米功能材料、光子晶體與綠色印刷材料與光電器件研究。已發表SCI 收錄論文400余篇,引用28,000余次,H指數95。主持和參加編寫英文專著15部,中文專著2部;獲授權中國發明專利130余項,美國、日本、歐盟、韓國等授權發明專利26項。獲 2008年和2005 年國家自然科學二等獎,2016年北京市科學技術一等獎;先后獲中國青年科技獎、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、中科院杰出青年、中國科協求是杰出青年成果轉化獎、畢昇印刷技術獎和中華印制大獎等。入選科技北京領軍人才、中青年科技創新領軍人才、萬人計劃、國家百千萬人才工程及全國優秀科技工作者等。

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