中科院朱光团队ACS Nano:自供电纳米结构表面高分子微球的摩擦带电自组装

【引言】

自组装过程，其单个组分通过非共价键相互作用形成有序结构，在光电子学，微细加工，生物膜和纳米电子学等领域具有广阔的应用前景。氢键，范德华力，静电力，表面张力和离子吸收等基本原理已被开发用于自组装。通常情况下，自组装包含具有微米或纳米尺度特征尺寸的构成物体，其重力和惯性的影响是微不足道的。然而当物体扩大到毫米级，随着重力作用的凸显，对于毫米级聚合物珠粒等明显较大的物体，通常需要外加从几kV到几十kV的电压源，自组装因而变得具有挑战性。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所朱光研究员(通讯作者)团队在ACS Nano发表题为“Triboelectrification-Induced Self-Assembly of Macro-Sized Polymer Beads on Nanostructured Surface for Self-Powered Patterning”的文章。在该项工作中，在不使用额外电压源的情况下，利用静电模板自组装(ETSA)方法在纳米结构的平面衬底上实现对毫米级聚合物珠粒的任意图形化。聚合珠粒和基底以摩擦电荷产生驱动自组装过程的面内静电力，该研究将分析计算与数值模拟相结合，以推导静电力，得到与实验测量值吻合度很高的对比结果。自组装图案仅由预定义的下层电极控制，使其可以随意切换成不同组的电极图案。通过将组装的图案转移到弹性体基质中，证明了将ETSA方法用于制造光学显示器和柔性显示器的可能性。

【图文导读】

图1 ETSA装置和自组装珠粒示意图

(a)ETSA装置结构；

(b)通过等离子体干法蚀刻产生的聚合物NWs的SEM图像；

(c)组装后尼龙珠照片；

(d)在一横截面视图中电荷分布图；

(e)不同位置的作用在珠子上的静电力图；

图2 由COMSOL计算的ETSA装置不同部分的三维电势分布

(a)自组装后尼龙珠；

(b)电化层；

(c)铜电极层；

(d)PMMA基材；

图3 作用于尼龙珠的计算静电力

(a)三窗口区域的自上而下视图，其中第一行代表窗口中心的位置；

(b)沿着线1位于珠子上的Fes-x；

(c)沿着线1位于珠子上的Fes-z；

(d)第2行表示远离窗户的位置的三窗口区域的俯视图；

(e)沿着线2位于珠子上的Fes-x；

(f)沿着线2位于珠子上的Fes-z；

(g)Fes-x和珠粒的相应位置；

(h)当基底以70°的角度倾斜时，锚固在窗口部位内的珠粒图；

图4柔性显示面板的构建

(a)-(e)将组装好的图案转移到聚合物基质中的流程；

(f)将尼龙珠自组装成预定图案；

(g)柔性显示面板嵌入到聚合物基体中；

(h)在黑暗中发光的显示面板；

【小结】

该研究提出了一种静电模板自组装（ETSA）方法，可以在不依靠外部电源的情况下任意构图毫米级聚合物珠粒。与常规的ETSA方法相比，该ETSA方法实现了以自供电方式任意图案化毫米级聚合物珠粒。通过设计栅极图案，可以用简单的制作工艺和少量的材料实现大尺寸聚合物珠粒的任意图案化。基于其自供电特性，简单的制造工艺和可重复使用的模板，ETSA方法在大尺寸珠粒的自组装过程中是一种可行的方法，并且可能在将来的所有尺度上被用于开发功能颗粒。

文献链接：Triboelectrification-Induced Self-Assembly of Macro-Sized Polymer Beads on Nanostructured Surface for Self-Powered Patterning (ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b06758)

本文由材料人编辑部连婷婷编译， 刘宇龙审核， 点我加入材料人编辑部。

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