精巧的圖案與多彩的泡泡｜新知_風聞

圖1 公園中五彩繽紛的氣泡（作者2022年4月拍攝於玉淵潭公園）

生活中隨處可見各種精巧絕倫的圖案，從著名的地標建築到雜誌上各色各樣的插圖，甚至是手機電腦內部的電路芯片，都離不開圖案的設計與製造。印刷圖案的方式也是五花八門，從生活中常見的打印機到複雜精密的光刻機。然而，這些印刷設備總讓人覺得是一類古板的機械裝置，誰又能想到在科研人員手中，自然界的氣泡也能用來印刷圖案呢，甚至是達到了納米級、分子級的超高精度呢！説到氣泡，總能讓人聯想到這麼一幅場景，淑氣漸生，花鳥相語，早春的公園裏隨處可見歡樂的孩童、孩童手中的玩具以及身邊漫天飛舞的氣泡。陽光下多姿多彩的氣泡讓人覺得自由自在，絢麗宜人。實際上，科學意義上的氣泡是指氣體在液體中分散形成的結構，其表面的液體層可以通過自發的排液過程快速達到數十納米，甚至是幾納米的厚度。前者我們稱作普通黑膜（Common Black Film），一般由數層分子組成，而後者稱作牛頓黑膜（Newton black film），由雙分子層構成。這種超薄的氣泡膜空間就是聯繫琢磨難定的氣泡與形態各異的圖案之間的橋樑。

圖2 氣泡印刷構築超高精度分子圖案

中科院化學所綠色印刷實驗室的宋延林團隊從控制氣泡的演化規律出發，藉助微結構模板實現了對氣泡羣演化行為的直接控制，製備了三角形、正方形、六邊形、菱形等多樣化的氣泡圖案。在此基礎上，研究團隊精心設計了“雙片段式”模型分子，將功能基團與水溶性基團通過柔性烷基鏈共價連接在一起，並將其引入到超薄的氣泡膜空間，實現了無表面活性劑添加的、最高精度可達12nm的，僅由5-6層分子構成的高精度圖案的印刷製備。研究人員又進一步利用模型分子聚集誘導發光的特性實現了對於氣泡羣演化過程的原位實時觀察，並且發現圖案的印刷過程經歷了氣泡演化、氣泡破裂以及液橋乾燥三個過程。其中，調控氣泡膜破裂過程的空間位置可以進一步實現直線、虛線、串珠線等多種複雜線形貌的精準印刷。

圖案精度的控制也與氣泡息息相關。氣泡膜空間的動態演化以及分子在軟限域空間內的聚集組裝過程是圖案最高精度的決定性因素。科研人員發現，對稱結構的分子具有更好的分子重構能力、更小的聚集體結構以及更有序的片層狀堆積行為。在對稱結構分子的參與下，氣泡膜可以穩定演化至十納米附近，這也進一步表明了圖案精度與氣泡演化過程的相關性。

圖3 從液膜收縮與分子聚集角度揭示不同對稱性分子的氣泡膜受限組裝機制

該方法提出了一種基於氣泡陣列的納米-分子尺度圖案印刷新方法，其過程簡單，可控性強，為高靈敏傳感器以及具有獨特納米限域效應的光電子器件等領域的發展奠定了技術基礎，也為進一步構築分子器件及分子電路提供了新理論、新思路。

來源：中國科學院化學研究所