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控制泡沫演變實現圖案化

來源: 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、光學衍射和散射、同時具有固相和液相的力學性質等，其應用涵蓋了材料科學、海洋工程、環境科學、生物醫藥、化學工程、食品生產及微電子學等方面，對人類的生存和發展具有重要的作用。

1873年，比利時科學家Plateau開創了泡沫物理學。從那之后，人們開始對泡沫世界展開深入的探索。百余年來，研究者對于泡沫的結構規律和演變過程已經形成了比較系統的認識，但是對于泡沫演變的調控卻一直是巨大的挑戰，最主要的原因就是泡沫世界中存在著一套類似叢林法則的“弱肉強食”現象：大小不同的氣泡在奧斯瓦爾德機制的影響下，會呈現出“大的越大，小的越小”的現象。因此，對其結構演化的有效調控成為泡沫研究領域百余年來的一個難題。

然而，泡沫世界的這一“叢林法則”即將被科學家打破。中科院化學所的宋延林（點擊查看介紹）課題組發現了一種巧妙的方法，能夠對二維泡沫演變模式進行調控，將泡沫世界的“弱肉強食”調控為一種“限富濟貧”的新機制，并以此為基礎發展出一種全新概念的納米印刷術，也為其他類似體系演變的控制提供了新的思路。

研究發現，當固體表面不平滑時，在具有微米結構的情況下（圖1a），氣泡在生長過程中會與這些微米結構發生相互作用從而產生形變，使氣泡的曲率半徑不再隨體積的增大而持續增大，反而可能出現逐漸減小的情形（圖1b）。曲率半徑變小意味著氣泡的長大能力變弱，即大氣泡不再具有吞并小氣泡的能力，從而限制了其持續增長，維持小氣泡的長久存在，實現了泡沫體系中“限富濟貧”的均一圖案化（圖1d）。基于上述機制，通過設計微米結構的幾何性質，就可以選擇性控制不同區域氣泡的表面曲率，從而控制泡沫的演變過程及演化方向，實現泡沫的多種圖案化（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。通過將功能材料（如納米顆粒、導電聚合物等）加入溶液中，隨著液體的蒸發，功能材料就會在氣泡邊界處進行組裝，形成高精度的網格圖案，從而實現在透明電極等光電器件上的應用

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，是印刷技術在前沿研究領域的一大突破，也為其它類似體系的演變過程控制提供了全新的思路。

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