泡沫由于具有特殊的性能,如高比表面積、可壓縮性、聲波控制、光學(xué)衍射和散射、同時(shí)具有固體和液體的力學(xué)性質(zhì)等,其應(yīng)用涵蓋了材料科學(xué)、海洋工程、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)藥、化學(xué)工程、食品生產(chǎn)及微電子學(xué)等方面,對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展具有重要的作用。然而泡沫是一個(gè)不穩(wěn)定體系,其結(jié)構(gòu)會(huì)在奧斯瓦爾德熟化機(jī)制下進(jìn)行演變,存在一種類(lèi)似叢林法則的“弱肉強(qiáng)食”現(xiàn)象,即大的更大,小的更小,最終消失。因此,對(duì)其結(jié)構(gòu)演化的有效調(diào)控成為了泡沫研究領(lǐng)域百余年來(lái)的一個(gè)難題。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的大力支持下,化學(xué)所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員近年來(lái)在納米材料印刷及圖案化領(lǐng)域開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究。他們?cè)诠腆w表面打印和構(gòu)造精確可控的三維微米結(jié)構(gòu)(Small 2015, 11, 1900-1904,Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2237-2242),突破傳統(tǒng)印刷技術(shù)的精度極限,實(shí)現(xiàn)了微納米尺度精細(xì)圖案的印刷及納米功能材料的可控組裝(Adv. Mater. 2014, 26, 2501-2507),并發(fā)展了在印刷電子及可穿戴器件領(lǐng)域的應(yīng)用(Adv. Mater. 2015, 27, 3928-3933,Adv. Mater. 2016, 28, 1369-1374)。
在上述研究的基礎(chǔ)上,他們發(fā)現(xiàn)這種帶有微米結(jié)構(gòu)的模板可以用于調(diào)控二維泡沫的演化。研究表明,在泡沫中的氣泡生長(zhǎng)演變過(guò)程中,微米結(jié)構(gòu)可以對(duì)氣泡的表面曲率半徑進(jìn)行調(diào)控, 進(jìn)而有效地調(diào)控泡沫的演變過(guò)程。通過(guò)微結(jié)構(gòu)的調(diào)控,可以使得氣泡的曲率半徑不再隨體積的增大而增大,甚至出現(xiàn)減小的情形。對(duì)應(yīng)的演變也由原來(lái)的“弱肉強(qiáng)食”變?yōu)榱?/span>“限富濟(jì)貧”的反奧斯瓦爾德熟化演變模式。通過(guò)改變微結(jié)構(gòu)的幾何排列,泡沫會(huì)演變成所設(shè)定的圖案,從而實(shí)現(xiàn)二維泡沫演化的“可編程性”(圖1)。
圖 1 二維泡沫演化的調(diào)控及圖案化
這些圖案化的二維氣泡為高精度印刷組裝功能材料提供了新思路。通過(guò)把功能材料(如納米顆粒、導(dǎo)電聚合物等)加入溶液中,隨著液體的蒸發(fā),功能材料就會(huì)在氣泡邊界處進(jìn)行組裝,形成高精度的網(wǎng)格圖案,從而實(shí)現(xiàn)在透明電極等光電器件上的應(yīng)用(圖2)。
這種通過(guò)微模板控制二維泡沫演變的新模式,改變了百年來(lái)科學(xué)界對(duì)于泡沫演化難以操控的局面,實(shí)現(xiàn)了以陣列化氣泡為模板“印刷”功能材料,進(jìn)而制備納米尺度的高精度圖案等功能,是印刷技術(shù)在前沿研究領(lǐng)域的一大突破,也為其它類(lèi)似體系的演變過(guò)程控制提供了全新的思路。該研究成果發(fā)表在Nat. Commun.雜志上(Nat. Commun.8, 14110 doi: 10.1038/ncomms14110)。
圖2 氣泡模版法制備透明導(dǎo)電膜
誠(chéng)邀關(guān)注高分子科技

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