化學所通過控制泡沫演變實現(xiàn)圖案化

　　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、光學衍射和散射、同時具有固體和液體的力學性質(zhì)等，其應用涵蓋了材料科學、海洋工程、環(huán)境科學、生物醫(yī)藥、化學工程、食品生產(chǎn)及微電子學等方面，對人類的生存和發(fā)展具有重要的作用。然而泡沫是一個不穩(wěn)定體系，其結(jié)構(gòu)會在奧斯瓦爾德熟化機制下進行演變，存在一種類似叢林法則的“弱肉強食”現(xiàn)象，即大的更大，小的更小，最終消失。因此，對其結(jié)構(gòu)演化的有效調(diào)控成為了泡沫研究領(lǐng)域百余年來的一個難題。

　　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，中國科學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。他們在固體表面打印和構(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），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）。

　　在上述研究的基礎上，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演變過程中，微米結(jié)構(gòu)可以對氣泡的表面曲率半徑進行調(diào)控, 進而有效地調(diào)控泡沫的演變過程。通過微結(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。對應的演變也由原來的“弱肉強食”變?yōu)榱?ldquo;限富濟貧”的反奧斯瓦爾德熟化演變模式。通過改變微結(jié)構(gòu)的幾何排列，泡沫會演變成所設定的圖案，從而實現(xiàn)二維泡沫演化的“可編程性”（圖1）。

　　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。通過把功能材料（如納米顆粒、導電聚合物等）加入溶液中，隨著液體的蒸發(fā)，功能材料就會在氣泡邊界處進行組裝，形成高精度的網(wǎng)格圖案，從而實現(xiàn)在透明電極等光電器件上的應用（圖2）。

　　這種通過微模板控制二維泡沫演變的新模式，改變了百年來科學界對于泡沫演化難以操控的局面，實現(xiàn)了以陣列化氣泡為模板“印刷”功能材料，進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，也為其它類似體系的演變過程控制提供了全新的思路。該研究成果發(fā)表在《自然-通訊》雜志上（Nat. Commun. 8, 14110 doi: 10.1038/ncomms14110）。

圖1 二維泡沫演化的調(diào)控及圖案化

圖2 氣泡模版法制備透明導電膜