捕捉泡影

作者: 闵凡一

来源: 中国科学院化学研究所

发布日期: 2021-08-03 07:30:00

科研人员利用气泡的薄液膜特性,成功实现纳米尺度分子的高精度图案化组装,为材料科学领域提供了一种新的加工方法。

一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。一提到气泡或者说泡沫往往会给人一种虚幻、不稳定的印象。简单来说,气泡的不稳定性主要是因为气泡太薄了。气泡一般是由分布在气液界面上的表面活性分子和夹在分子之间的薄液膜构成的,液膜的厚度可以从几个纳米到数百纳米不等。其实气泡厚度很薄这一点是一把双刃剑。

一方面,“薄”导致了人们一般印象中的气泡“易碎”的观点;而另一方面,在需要高精度加工的领域,薄反而又是一种难能可贵的优势。

目前,如何在百纳米以内的尺度对各种材料进行加工组装并实现图案化,仍然是科研上的一个难题。科研人员想到,可以把需要组装的分子放到气泡的薄液膜中,从而实现高精度的材料制备。但是想利用气泡来实现图案制备还要面临另一个问题,就是很多气泡聚集形成泡沫的时候,气泡之间会有大气泡对小气泡的弱肉强食吞并现象,会严重影响最后形成的图案密度和形状。

依据利用气泡之间的薄液膜来限制分子组装的想法,中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林课题组提出了一种利用气泡组装分子的可行策略,并且成功地利用二维气泡组装了TPPS分子,实现了在百纳米精度之内的图案化组装。研究人员首先是利用二维的硅柱微阵列,通过构建三明治夹层结构,来抑制泡沫中气泡之间的相互吞并,从而能够拿到在二维尺度上的均匀气泡。

整个气泡辅助的组装过程可以分为两个阶段:首先是泡沫产生与演化;之后是溶液的干燥与物质组装沉积过程。泡沫的产生与演化阶段,研究人员利用一个快速的产生气体的反应来产生所需的气体,由于表面活性剂SDS的加入,会迅速在硅柱模版中构建起而二维气泡阵列,由于硅柱的尺寸限制,使得气泡不会过分长大,最终能够拿到完全均匀的气泡阵列,从气泡开始产生到完全均匀,大概需要5到10分钟。

在气泡完全均匀之后,随着整个体系的蒸发干燥过程的进行,溶液中的TPPS分子开始进行自组装,由于存在高精度的气泡薄液膜的限制,使得其不会过度堆积,最终能实现100nm之内的较高精度的沉积图案。这一过程持续时间较长,一般需要数个小时才能完成。

该工作为纳米尺度分子的高进度图案制备提供了一种新方法,并且仍有望向实现更高的图案精度。

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