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納米粒子薄膜1分鐘完成自我裝配

    勞倫斯·伯克利國家實驗室材料科學部門的聚合物科學家徐婷(Ting Xu)帶領的研究將基于嵌段共聚物的超分子與金納米顆粒相結合，從而創造了一種納米復合材料，后者在經過溶劑退火處理后會迅速自我裝配并形成分層級的結構薄膜，橫跨面積達到平方厘米級。這種技術與當前的納米加工過程相兼容，并具有產生新光學涂膜系列以用于一系列廣泛領域的潛力，包括太陽能、納電子學和計算機存儲器。這項技術甚至能為超材料以及具有非凡光學特性的人造納米構建物(nanoconstruct) 的制造開啟新的大門。

    “我們的技術能夠在大至硅片的區域上快速產生不可思議的納米顆粒裝配，”徐這樣說道，她同時也任職于美國加州大學伯克利分校材料科學與工程學院和化學學院。“你可以將它想象成一個薄煎餅的面糊，可以在平底煎鍋上攤開，一分鐘后就可以享用新鮮出爐的煎餅了。”

    納米粒子就像具有獨特光學、電子學和機械特性的人造原子。如果能夠誘發納米粒子進行自我裝配以形成復雜結構和分層級的樣式，類似于蛋白質的結構，那么它將實現大批量生產比現代微型工藝學使用的小一千倍的設備。

    徐和她的研究小組正在朝這個終極目標穩定的前進。近期他們的研究重心在于使用基于嵌段共聚物的超分子溶劑引導納米粒子陣列的自我裝配。超分子是作為單一分子執行特定功能集的分子群組。嵌段共聚物是非常長的序列，或者一種束縛在另一種類型單元結構上的單元結構，它具有在肉眼可見的距離范圍內自我裝配成界限清楚、納米大小的結構陣列的內在能力。

    “基于嵌段共聚物的超分子能夠自我裝配并形成大范圍的具有微疇特征的形態學，一般為幾納米至幾十納米。”徐說道。“考慮到它們的大小可以與納米粒子相比擬，超分子的微疇提供了納米粒子陣列自我裝配的理想結構框架。”

    在由徐和同事修改后的超分子技術里，金納米粒子陣列成為超分子溶劑的一部分，以形成大約200納米厚的薄膜。通過溶劑退火并利用三氯甲烷作為溶劑，納米粒子陣列可以形成三維的圓柱體微疇，后者被塞入與表面平行的扭曲六方晶格內。納米粒子自我裝配的這種分層級結構控制的陳列讓人印象深刻，但它也僅僅是這項最新技術的一部分。

    “為了與納米加工過程相兼容，自我裝配的制造過程必須在幾分鐘內完成以最小化因暴露在加工環境里而導致的納米粒子特性的退化。”徐說道。她和她的研究小組系統的分析了超分子納米復合材料薄膜暴露在溶劑蒸汽里自我裝配的熱力學和動力學。他們發現通過最優化單個參數，也即溶劑的量，裝配動力學可以精確的調節以實現在1分鐘內產生分層級結構的薄膜。

    “為了利用非共價鍵連接在聚合物側鏈的小分子來建造基于嵌段共聚物的超分子，我們改變了能量全景圖使得溶劑含量成為最重要的因素，”徐說道。“這使得我們能夠利用少量的溶劑來實現納米粒子陣列的快速定序。”

    納米復合材料薄膜的光學特性取決于單個納米粒子的特性以及不同方向上界限清楚的納米粒子間距離。考慮到金納米粒子的維度至少比可見光波長小一個數量級，徐和同事研發的超分子技術在用于制造超材料方面具有巨大的潛力。這些人造材料在近些年獲得了極大地關注，因為它們的電磁特性是自然材料難以達到的。例如超材料可以有負的折射率，也即能夠向后彎曲光線，這與只能向前彎曲光線的自然材料有所不同。

    “我們的金納米復合材料薄膜表現出強大的依賴波長的光學各向異性，通過改變不同的溶劑就可以實現，”徐說道。“這提供了制造超材料的平板印刷術的可行替代方案。”雖然徐和同事在他們的薄膜里使用了金納米粒子，但這種超分子方法與其它化學成分的納米粒子也兼容。“利用與現代廣泛應用的納米加工過程——包括刮涂、噴墨印刷和動態區退火——相兼容的技術，我們應該能夠創造一個具有操縱光和其它特性的納米粒子裝配庫。” 徐說道。這項研究被發表在期刊《自然通訊》上。這篇文章的其它合作作者還包括約瑟夫·考(Joseph Kao)、卡利·索克爾森(Kari Thorkelsson)、皮特·白(Peter Bai)、張振(Zhen Zhang)和孫誠(Cheng Sun)。