宋延林课题组在气泡印刷精准控制非对称颗粒取向组装方面取得新进展

　　自LB薄膜技术发明以来，流体界面组装技术被认为是制备高精度长程有序薄膜的有效方法，并具有应用于图案化先进集成器件制造的潜力。如何快速产生流体界面抑制体相竞争组装，并强化流体限域作用抑制界面处无序运动，是图案化流体界面组装中的关键问题。另一方面，以Janus纳米颗粒（JNPs）为代表的高分子-胶体杂化材料具有丰富的形状/功能可编程性，在制备新型光电器件上具有广泛应用前景。然而，形态不对称性所带来的熵效应使得其进行长程有序的定向组装和器件制造面临巨大挑战。 

　　在科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心、中国科学院的支持下，化学所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组近期利用雪人型Janus颗粒为非对称双亲性模型体系，提出了一种气泡驱动的快速准一维图案化界面策略，实现了Janus单颗粒取向可控（同轴或异轴）长程有序组装与图案化。研究发现，模板化气泡的快速形成在动力学上有利于界面定向，而弧形液桥中封闭的准一维界面可以约束颗粒的无序旋转，产生远距离的良好定向Janus单颗粒链。同时，蒸发过程中颗粒的界面取向可以转移到干燥后的组装结构中，通过调节Janus颗粒两亲性与表面活性剂可以调控组装结构取向。Zeta电位测试和表面张力测试表明，“疏水-亲水”微结构保证了界面直立取向而导致异轴组装，“亲水-亲水”微结构保证了界面平躺取向而导致了同轴组装。理论分析表明，快速形成的准一维界不仅在动力学上对颗粒的界面取向行为至关重要，还是组装体系在蒸发过程中维持有序性的关键因素。他们进一步研究了取向结构的光学各向异性，并利用其差异化的光散射偏振依赖性分别构建了“与”门和“或”门逻辑器件。 

　　该工作是乔雅丽/宋延林团队利用气泡模板印刷策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 16547；InfoMat, 2022, 4, e12323；Sci. Sin. Chin., 2022, 52, 209；Nano Energy, 2021, 89, 106384）实现图案化集成器件与高精度组装制造的最新研究进展之一。这项工作证明了气泡模板在构筑准一维图案化界面与实现可控取向组装方面的巨大潜力，并显示了不对称Janus颗粒的定向组装超结构在构建新型光电器件方面的广阔前景。该研究成果近日发表在J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 4, 2404–2413，文章第一作者是博士生高杰，通讯作者是化学所乔雅丽研究员、宋延林研究员和清华大学杨振忠教授。 


图1. 气泡驱动快速准一维界面策略构建Janus颗粒长程取向可控组装体


图2. Janus颗粒长程有序组装体取向依赖的偏振光散射性质