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控制泡沫演變實(shí)現(xiàn)圖案化

來(lái)源: X-MOL 2017-06-12 11:56:53

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)具有固相和液相的力學(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。

1873年，比利時(shí)科學(xué)家Plateau開(kāi)創(chuàng)了泡沫物理學(xué)。從那之后，人們開(kāi)始對(duì)泡沫世界展開(kāi)深入的探索。百余年來(lái)，研究者對(duì)于泡沫的結(jié)構(gòu)規(guī)律和演變過(guò)程已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)于泡沫演變的調(diào)控卻一直是巨大的挑戰(zhàn)，最主要的原因就是泡沫世界中存在著一套類(lèi)似叢林法則的“弱肉強(qiáng)食”現(xiàn)象：大小不同的氣泡在奧斯瓦爾德機(jī)制的影響下，會(huì)呈現(xiàn)出“大的越大，小的越小”的現(xiàn)象。因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)演化的有效調(diào)控成為泡沫研究領(lǐng)域百余年來(lái)的一個(gè)難題。

然而，泡沫世界的這一“叢林法則”即將被科學(xué)家打破。中科院化學(xué)所的宋延林（點(diǎn)擊查看介紹）課題組發(fā)現(xiàn)了一種巧妙的方法，能夠?qū)ΧS泡沫演變模式進(jìn)行調(diào)控，將泡沫世界的“弱肉強(qiáng)食”調(diào)控為一種“限富濟(jì)貧”的新機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展出一種全新概念的納米印刷術(shù)，也為其他類(lèi)似體系演變的控制提供了新的思路。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固體表面不平滑時(shí)，在具有微米結(jié)構(gòu)的情況下（圖1a），氣泡在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)與這些微米結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用從而產(chǎn)生形變，使氣泡的曲率半徑不再隨體積的增大而持續(xù)增大，反而可能出現(xiàn)逐漸減小的情形（圖1b）。曲率半徑變小意味著氣泡的長(zhǎng)大能力變?nèi)酰创髿馀莶辉倬哂型滩⑿馀莸哪芰Γ瑥亩拗屏似涑掷m(xù)增長(zhǎng)，維持小氣泡的長(zhǎng)久存在，實(shí)現(xiàn)了泡沫體系中“限富濟(jì)貧”的均一圖案化（圖1d）。基于上述機(jī)制，通過(guò)設(shè)計(jì)微米結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)，就可以選擇性控制不同區(qū)域氣泡的表面曲率，從而控制泡沫的演變過(guò)程及演化方向，實(shí)現(xiàn)泡沫的多種圖案化（圖1e-f）。

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)將功能材料（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

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。

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