本文授权转载自微信公众号研之成理(rationalscience),原作者: 宋延林教授课题组

第一作者:郭丹博士
通讯作者:宋延林研究员(中科院化学所)、郑旭副研究员(中科院力学所)
第一单位:中科院化学所
DOI:10.1002/anie.201810728
A. 多成分的颗粒图案化组装
多种颗粒的组装,其组装结构的多样化和不同成分之间的协同相互作用,对于新型光电器件和生物医学领域具有重要作用。大量的研究工作是基于颗粒间的相互作用在体相内组装,主要方法有配体引导、置换溶剂和控制外场等。但是这些方法在图案化方面仍有很大限制。模板法是一种有效的图案化方法,已报导的模板法主要是通过光刻模板、碳纳米管或者分子自组装纳米孔道的固体限域,但是这些固体模板对于不同的颗粒没有选择性,只能通过多次实验操作组装不同的组分。为了兼顾多成分颗粒的图案化组装和实验方法的简易可行,宋延林研究员课题组发展了一种新的利用液体软模板控制不同尺寸颗粒的图案化组装方法。
B. 液体软模板限域法
在前面的工作(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 18-21; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15348–15352)中,他们提出液体软模板限域的方法实现了二元颗粒的一维共组装和图案化。通过光刻硅柱或打印模板控制液膜的破裂,构建了毛细液桥作为液体软模板。“软”模板体现在两个方面:一、液体限域空间随着溶剂的蒸发逐渐减小,因此对于不同尺寸的颗粒进行了先后次序上的限域组装:大颗粒首先被限域组装,小颗粒后来以大颗粒为骨架在毛细限域空间内组装,实现了组装结构的有序性。二、液体限域空间形状的多样化、液体的空间构型和延伸方向都具有可调节性,对于多种颗粒组装成多样的结构图案非常重要。
根据以上的研究结果,颗粒的组装受到液体软模板限域空间的控制。基于液体软模板的可调性,进一步探索如何操控更加复杂多样的液体软模板是实现控制多种颗粒的组装图案的关键。宋延林研究员课题组通过调节液体在微模板的浸润状态和去浸润过程来操控液体软模板限域组装颗粒。
该研究对于液体软模板法控制颗粒组装进行了更深入的发展,实现了多种颗粒尺寸分选组装图案。通过控制硅柱的高度,液体在硅柱模板上的浸润性和液体退浸润的方向,对液体软模板的限域空间进行了灵活的设计,实现了多种可调控的组装图案,并解析了颗粒组装过程和控制机理,这种方法也适用于多种尺寸和材料的颗粒组装。该工作阐述了液体软模板限域法对于颗粒精细图案化组装的有效控制,对于印刷光电器件提供了借鉴,对于今后制备复合功能器件具有重要意义。
他们利用硅柱微模板制备了两种和三种颗粒的尺寸分选组装图案,并分析研究了颗粒的组装过程和组装机理,探讨了对不同组装结构的控制因素。不同于以前的工作只能实现线形非闭合的组装图案,在此研究中通过构建环绕硅柱的液桥,实现环状的组装图案。结合理论模型计算,深入研究液体在模板上的退浸润对颗粒组装的影响。研究结果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1-6)。
在超亲水基底上,由于外向的毛细流和气-固-液三相接触线附近界面的楔形限域条件下,大小颗粒在三相接触线附近有了尺寸分离:小颗粒更接近三相线而大颗粒相对远离三相线。在退浸润的过程中,三相线推动保持有大小分离状态的颗粒从模板边缘向模板的中间位置运动。在气液界面遇到硅柱表面时,液体和颗粒发生了如Figure 1b中的变化,最终得到了环状的组装结构。

Figure 1. Formation of the dual-ring patterns and the structural diversification. a) Mixed two-sized particle suspension is sandwiched between a pillar template and a superhydrophilic cover. b) The time-sequenced snapshots show the binary particle assembly process during the suspension dewetting the superhydrophilic pillar template, schematically illustrated by the inserted sketch. The white arrows indicate the time sequence, and blue arrows indicate the inner capillary flow. c) The laser scanning confocal microscope image and the inserted SEM image show the dual-ring assembly patterns from binary particles with diameters of 1 µm and 0.37 µm. d) Assemblies obtained by increasing VfL/S to 3 (top image; decreasing the volume fraction of small particles from 0.2% to 0.1%) or decreasing DL/S to 2.13 (bottom image; increasing the diameter of the small particles from 0.37 µm to 0.47 µm).
研究发现利用不同凸边形的模板,能够实现不同的组装图案,如Figure 2所示, 最终的结果都是大颗粒围绕硅柱边缘,小颗粒围绕大颗粒外侧(远离硅柱)的边缘。这样的尺寸分离是由于在亲水基底上,三相线附近的楔形限域空间决定的。对于三种颗粒的组装,也会得到颗粒由大到小逐渐径向远离硅柱的尺寸分选组装图案,但是最小颗粒容易在较大尺寸的颗粒组装间隙分布,这是受到颗粒填充原理的影响。通过改变硅柱的高度,调节液体软模板的限域空间,能够对于不同尺寸的颗粒组装进行有效的控制。能够发生限域组装的颗粒尺寸随着硅柱高度的增加而增大。
在后退角大于45°的疏水基底上,颗粒的组装又会出现不同的形式。首先,液体的边缘界面形状在疏水基底上发生了改变,在气液界面开始接触到硅柱表面时,如Figure 3所示, 三相接触线附近的气液界面与硅柱表面组成的限域空间不足以满足大颗粒的进入,只有小尺寸颗粒能够在硅柱前端被限域,而大颗粒被阻挡在硅柱的后面,这样就对大小颗粒的限域组装进行了选择。不同于以前的只在亲水基底上能够实现大小颗粒的分离,这里在疏水基底上实现了大小颗粒的分离,并能够控制其组装图案。通过实验和理论分析,能够通过简易的实验操作控制液体退浸润的方向。对于截面具有各向异性形状的硅柱模板,通过调节液体退浸润的方向,最终得到不同的组装图案。

Figure 2. Control of the dual-ring assembly, formation of different-shaped patterns, and ternary particle assembly. a) Schematic illustration of two-sized particles in the capillary confinement upon the air-liquid interface becoming discontinuous. b) The dependence of the theoretical maximum diameters of the large particles Dm (the black solid line) and the experimental diameters of the large particles D (the scattered dots) on the pillar height H, illustrating that both Dm and D show a positive correlation with H and that D is smaller than Dm. c) The confocal micrographs and SEM images show the dual-ring assemblies in triangular and pentagonal patterns. d) Schematic illustration of ternary particles in the capillary confinement near the pillar, confocal micrograph of the ternary-ring assembly array and the inserted SEM image, showing that the largest particles of 1 μm constitute the innermost ring, the smallest particles of 0.18 μm constitute the outermost ring, and the medium-sized particles of 0.37 μm mixed with the smallest particles constitute the middle ring.

Figure 3. The formation of patterns with component separation. a) The time-sequenced snapshots show the binary particle separation process on the pillar template with a receding contact angle larger than 45°. The white arrows indicate the time sequence. b, c) The top- and side-view illustration of the confined assembly of the large and small particles at the front and rear region of the pillar, respectively. The blue arrows indicate the capillary force on the confined particles. d) The confocal micrographs and the inserted magnified SEM images show different patterns with the separation of 1 µm and 0.37 µm particles. The yellow arrows indicate the dewetting direction.

宋延林,1969年生。1996年于北京大学化学系获博士学位;1996-1998年清华大学化学系博士后。现任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、绿色印刷重点实验室主任,杰青,长江学者特聘教授。北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任;中国材料研究学会、中国印刷技术协会、中国真空学会、中国计算机行业协会常务理事,中国感光学会、中国微米纳米技术学会理事,中国颗粒学会副理事长;中国印刷及设备器材工业协会印刷技术工作委员会副主任,国际电工协会印刷电子工作组专家,Scientific Reports 等学术期刊编委。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家纳米重大研究计划、中科院战略先导研究计划及863重点项目等30余项。已发表SCI 收录论文300余篇,被他人引用10,000余次,并多次被美国化学会(ACS)、英国皇家化学会(RSC)、亚洲材料(Asia Materials)等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著9部,中文专著2部;获授权中国发明专利80余项,美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利22项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖,2016年北京市科学技术一等奖;2006 年获国家杰出青年科学基金资助,获评“特优”。先后获中国青年科技奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、中科院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷技术奖和中华印制大奖等。入选首批科技北京领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、中组部万人计划、国家百千万人才工程及全国优秀科技工作者等。

参考文献
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201810728

两江科技评论
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