通過微流體技術(shù)實現(xiàn)納米材料印刷及圖案及可控組裝

許多基本的物理化學過程都發(fā)生在流體界面上。因兩相流體物理或化學性質(zhì)的不同，在界面處會出現(xiàn)某些物理參數(shù)的突變而產(chǎn)生很多重要的物理化學過程，這幾乎涉及了化學、化工、材料、物理、生物等各學科領(lǐng)域。比如，在氣液界面上發(fā)生的蒸發(fā)、吸附、瑞利不穩(wěn)定性、聲學共振等過程，對基于溶液的器件加工、表面自組裝、噴墨打印及氣泡聲學有重要的影響。在液液界面上發(fā)生的擴散、反應、粘性指進等過程，在化學合成、材料制備、工業(yè)采油等領(lǐng)域具有十分重要的應用。控制流體界面，有助于人們更好地理解、控制和利用這些重要的過程。然而，由于流體界面的流動性和不穩(wěn)定性，對其有效調(diào)控依然是一個難題。通過固體微結(jié)構(gòu)形成固定化的流體界面，可以為觀察、識別和標記提供一個穩(wěn)定的平臺，從而在很多研究領(lǐng)域具有更為重要的意義，比如分子擴散機理研究、界面反應、傳感和檢測等。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員宋延林課題組科研人員近年來在納米材料印刷及圖案化領(lǐng)域開展了深入系統(tǒng)的研究。他們突破傳統(tǒng)印刷技術(shù)的精度極限，實現(xiàn)了微納米尺度精細圖案的印刷及納米功能材料的可控組裝（Adv. Mater. 2014, 26, 2501-2507；Adv. Mater. 2018, 30, 1703963），并發(fā)展了在印刷電子及可穿戴器件領(lǐng)域的應用（Adv. Mater. 2015, 27, 3928-3933；Adv. Mater. 2016, 28, 1369-1374）。同時使用微結(jié)構(gòu)來調(diào)控氣液界面的演變，實現(xiàn)了對泡沫演變的可編程式的調(diào)控（Nat. Common. 2017, 8, 14110；Adv. Opt. Mater. 2017, 5, 1700751）。

圖1 一種普適的流體圖案化方法

在上述研究基礎(chǔ)上，他們利用微結(jié)構(gòu)模板來調(diào)控不相容的流體界面形成圖案化。利用固體微結(jié)構(gòu)調(diào)控流體間相互取代過程，他們提出了一種任意不相容流體界面間的流體圖案化技術(shù)（圖1）。結(jié)合理論分析，他們提出了微結(jié)構(gòu)浸潤性和幾何結(jié)構(gòu)的設計原則，并用于制備不同形貌的流體圖案，實現(xiàn)了流體間界面的可編程圖案化（圖2左）。這種以微流體技術(shù)為基礎(chǔ)的對溶液的在微米和納升尺度的調(diào)控，在以溶液加工為主體的器件制備技術(shù)中具有重要的應用。他們把流體圖案化技術(shù)與功能材料的蒸發(fā)組裝技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了微型立體光電探測器的制備，顯示出了良好的光電響應性（圖2右）。該工作在發(fā)展微型器件的制備新方法方面具有重要的意義。

圖2 可編程的流體圖案化及微型立體器件的制造