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控制泡沫演变实现图案化

来源: X-MOL 2017-06-12 11:56:53

泡沫由于具有特殊的性能，如高比表面积、可压缩性、声波控制、光学衍射和散射、同时具有固相和液相的力学性质等，其应用涵盖了材料科学、海洋工程、环境科学、生物医药、化学工程、食品生产及微电子学等方面，对人类的生存和发展具有重要的作用。

1873年，比利时科学家Plateau开创了泡沫物理学。从那之后，人们开始对泡沫世界展开深入的探索。百余年来，研究者对于泡沫的结构规律和演变过程已经形成了比较系统的认识，但是对于泡沫演变的调控却一直是巨大的挑战，最主要的原因就是泡沫世界中存在着一套类似丛林法则的“弱肉强食”现象：大小不同的气泡在奥斯瓦尔德机制的影响下，会呈现出“大的越大，小的越小”的现象。因此，对其结构演化的有效调控成为泡沫研究领域百余年来的一个难题。

然而，泡沫世界的这一“丛林法则”即将被科学家打破。中科院化学所的宋延林（点击查看介绍）课题组发现了一种巧妙的方法，能够对二维泡沫演变模式进行调控，将泡沫世界的“弱肉强食”调控为一种“限富济贫”的新机制，并以此为基础发展出一种全新概念的纳米印刷术，也为其他类似体系演变的控制提供了新的思路。

研究发现，当固体表面不平滑时，在具有微米结构的情况下（图1a），气泡在生长过程中会与这些微米结构发生相互作用从而产生形变，使气泡的曲率半径不再随体积的增大而持续增大，反而可能出现逐渐减小的情形（图1b）。曲率半径变小意味着气泡的长大能力变弱，即大气泡不再具有吞并小气泡的能力，从而限制了其持续增长，维持小气泡的长久存在，实现了泡沫体系中“限富济贫”的均一图案化（图1d）。基于上述机制，通过设计微米结构的几何性质，就可以选择性控制不同区域气泡的表面曲率，从而控制泡沫的演变过程及演化方向，实现泡沫的多种图案化（图1e-f）。

这些图案化的二维气泡为高精度印刷组装功能材料提供了新思路。通过将功能材料（如纳米颗粒、导电聚合物等）加入溶液中，随着液体的蒸发，功能材料就会在气泡边界处进行组装，形成高精度的网格图案，从而实现在透明电极等光电器件上的应用

这种通过微模板控制二维泡沫演变的新模式，改变了百年来科学界对于泡沫演化难以操控的局面，实现了以阵列化气泡为模板“印刷”功能材料，进而制备纳米尺度的高精度图案等功能，是印刷技术在前沿研究领域的一大突破，也为其它类似体系的演变过程控制提供了全新的思路。

材料学

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