纳米粒子薄膜1分钟完成自我装配

    劳伦斯·伯克利国家实验室材料科学部门的聚合物科学家徐婷(Ting Xu)带领的研究将基于嵌段共聚物的超分子与金纳米颗粒相结合，从而创造了一种纳米复合材料，后者在经过溶剂退火处理后会迅速自我装配并形成分层级的结构薄膜，横跨面积达到平方厘米级。这种技术与当前的纳米加工过程相兼容，并具有产生新光学涂膜系列以用于一系列广泛领域的潜力，包括太阳能、纳电子学和计算机存储器。这项技术甚至能为超材料以及具有非凡光学特性的人造纳米构建物(nanoconstruct) 的制造开启新的大门。

    “我们的技术能够在大至硅片的区域上快速产生不可思议的纳米颗粒装配，”徐这样说道，她同时也任职于美国加州大学伯克利分校材料科学与工程学院和化学学院。“你可以将它想象成一个薄煎饼的面糊，可以在平底煎锅上摊开，一分钟后就可以享用新鲜出炉的煎饼了。”

    纳米粒子就像具有独特光学、电子学和机械特性的人造原子。如果能够诱发纳米粒子进行自我装配以形成复杂结构和分层级的样式，类似于蛋白质的结构，那么它将实现大批量生产比现代微型工艺学使用的小一千倍的设备。

    徐和她的研究小组正在朝这个终极目标稳定的前进。近期他们的研究重心在于使用基于嵌段共聚物的超分子溶剂引导纳米粒子阵列的自我装配。超分子是作为单一分子执行特定功能集的分子群组。嵌段共聚物是非常长的序列，或者一种束缚在另一种类型单元结构上的单元结构，它具有在肉眼可见的距离范围内自我装配成界限清楚、纳米大小的结构阵列的内在能力。

    “基于嵌段共聚物的超分子能够自我装配并形成大范围的具有微畴特征的形态学，一般为几纳米至几十纳米。”徐说道。“考虑到它们的大小可以与纳米粒子相比拟，超分子的微畴提供了纳米粒子阵列自我装配的理想结构框架。”

    在由徐和同事修改后的超分子技术里，金纳米粒子阵列成为超分子溶剂的一部分，以形成大约200纳米厚的薄膜。通过溶剂退火并利用三氯甲烷作为溶剂，纳米粒子阵列可以形成三维的圆柱体微畴，后者被塞入与表面平行的扭曲六方晶格内。纳米粒子自我装配的这种分层级结构控制的陈列让人印象深刻，但它也仅仅是这项最新技术的一部分。

    “为了与纳米加工过程相兼容，自我装配的制造过程必须在几分钟内完成以最小化因暴露在加工环境里而导致的纳米粒子特性的退化。”徐说道。她和她的研究小组系统的分析了超分子纳米复合材料薄膜暴露在溶剂蒸汽里自我装配的热力学和动力学。他们发现通过最优化单个参数，也即溶剂的量，装配动力学可以精确的调节以实现在1分钟内产生分层级结构的薄膜。

    “为了利用非共价键连接在聚合物侧链的小分子来建造基于嵌段共聚物的超分子，我们改变了能量全景图使得溶剂含量成为最重要的因素，”徐说道。“这使得我们能够利用少量的溶剂来实现纳米粒子阵列的快速定序。”

    纳米复合材料薄膜的光学特性取决于单个纳米粒子的特性以及不同方向上界限清楚的纳米粒子间距离。考虑到金纳米粒子的维度至少比可见光波长小一个数量级，徐和同事研发的超分子技术在用于制造超材料方面具有巨大的潜力。这些人造材料在近些年获得了极大地关注，因为它们的电磁特性是自然材料难以达到的。例如超材料可以有负的折射率，也即能够向后弯曲光线，这与只能向前弯曲光线的自然材料有所不同。

    “我们的金纳米复合材料薄膜表现出强大的依赖波长的光学各向异性，通过改变不同的溶剂就可以实现，”徐说道。“这提供了制造超材料的平板印刷术的可行替代方案。”虽然徐和同事在他们的薄膜里使用了金纳米粒子，但这种超分子方法与其它化学成分的纳米粒子也兼容。“利用与现代广泛应用的纳米加工过程——包括刮涂、喷墨印刷和动态区退火——相兼容的技术，我们应该能够创造一个具有操纵光和其它特性的纳米粒子装配库。” 徐说道。这项研究被发表在期刊《自然通讯》上。这篇文章的其它合作作者还包括约瑟夫·考(Joseph Kao)、卡利·索克尔森(Kari Thorkelsson)、皮特·白(Peter Bai)、张振(Zhen Zhang)和孙诚(Cheng Sun)。