Adv. Mater.: 微结构表面厚度均匀、可控的共形纳米涂层的构筑

【引言】

材料的表面性质对其功能与应用有着关键影响，利用纳米颗粒分散液在表面构筑功能涂层是改变材料表面性质、提高使用性能的常用方法。在平整基底上构筑厚度均匀可控的纳米功能涂层已实现规模化制备，对于具有微结构的菲涅尔透镜等基底，由于重力、表面张力、毛细力等因素，导致使用常规方法难以得到共形、厚度均匀可控的纳米颗粒涂层。

【成果简介】

近日，中科院化学所徐坚研究员、赵宁研究员和天津工业大学陈莉教授(共同通讯作者)、赵义平教授、苏州纳米所马宏伟研究员等人在Adv. Mater.发表了题为“Conformal Nanocoatings with Uniform and Controllable Thickness on Microstructured Surfaces: A General Assembly Route”的研究论文，发展了一种普适的组装策略，攻克在微结构表面简便制备共形纳米功能涂层的难题。研究表明，采用带电纳米颗粒和带异性电荷可反应小分子，通过两者的静电和化学键作用，结合不同界面间的电位差，可以在各种形貌和尺度的微结构上形成共形、均匀、厚度随组装时间可控的纳米涂层。应用该方法在微结构光学表面制备的减反射膜可使可见光平均透过率提高2.6%(单面涂敷)。这种易于工程化的方法为聚光太阳能、激光显示等纳米功能涂层的规模制备应用奠定了技术基础 。

【图文导读】

图1 共形纳米涂层制备示意图

(a)微结构表面厚度均匀且可控的共形纳米涂层的制备示意图；

(b)3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面的XPS能谱；

(c)APTES溶液添加量分别为10、30和50μL时， SiO₂纳米颗粒(NPs)和APTES混合分散液的平均粒径和zeta电位随时间的变化。

图2 耗散石英晶体微天平(QCM-D)表征

(a-c)分别为(a) SiO₂ NPs和APTES混合分散液，(b)在带正电芯片上的SiO₂ NPs分散液和(c)在原始芯片上的混合分散液的QCM-D结果。(a’-c’)分别为(a-c)对应的组装过程的示意图；

(d)芯片表面和NPs的zeta电位随组装时间的变化；

(e)带正电芯片表面交替使用SiO₂ NPs分散液和APTES溶液的QCM-D结果；

(f)不同APTES添加量的混合分散液中，纳米涂层厚度随组装时间的变化；

(g-l)为(a-c)不同阶段纳米涂层的SEM图。

图3 不同微结构表面及被涂覆表面的SEM图

(a, d, g)分别为原始的(a)PET，(d)Si晶圆和(g)蝉翅的SEM图。插图为相应的截面SEM图；

(b, c, e, f, h, i)分别为对应微结构涂覆后的俯视和截面SEM图。

图4 透过率的改变

(a-b)分别为(a)PET基体和(b)菲涅尔透镜的透过率随其在APTES和SiO₂ NPs分散液中改性时间的变化。

【小结】

本文以APTES和SiO₂纳米颗粒为构筑单元，成功开发了一种在微结构表面简便制备共形纳米功能涂层的普适方法。通过静电相互作用和缩合反应，活性的、带相反电荷的构筑单元可以在微结构表面均匀地层层组装，获得均匀的纳米涂层；涂层的厚度可以通过组装时间控制。该方法为在不同微结构基体上简便制备大面积纳米功能涂层奠定了技术基础。

【研究团队简介】

徐坚研究员

中国科学院化学研究所赵宁、徐坚博士领导的研究团队在“十一五”国家863科技计划支持下，深入研究了在玻璃平整基底上筑出厚度均匀可控纳米功能涂层材料，在光伏玻璃上开发出可见光透过率>94.0%、耐磨性和持久性优异(铅笔硬度5H，密着性>4B) 的纳米减反射膜制备专利技术，与光伏玻璃企业紧密合作，全球率先开发出基于辊涂工艺路线的纳米减反射膜新技术及年产240万平方米工业装备，相比于当时国际公司的刻蚀、提拉、喷涂等技术，该技术简便高效和生产成本低廉，太阳能组件输出功率提高2.4%，累计发电量提高4.7%。产品通过了国际SGS认证，企业成功实现产品规模销售。所开发辊涂技术路线现已成为目前光伏电池用减反射玻璃的全球通用技术，广泛应用于光伏电池制造产业，仅中国每年就可多发电3.6GW(总装机77.4GW)，成为具备光学透明纳米效应的纳米材料规模应用的典型示范之一。

与已实现规模化制备的平整基底上构筑厚度均匀可控纳米功能涂层相比，对具有立体微结构的菲涅尔透镜等基底，在重力、表面张力、毛细力等因素影响下，应用常规方法无法在具有立体微结构表面上，制备出像平面基底上一样厚度均匀的纳米涂层。该研究团队巧妙地应用带电纳米颗粒和带异性电荷可反应小分子，结合不同界面间的电位差，借助于两者静电作用和化学键合，实现了在各种形貌和尺度的三维立体微结构上、形成共形、均匀、厚度可控的纳米涂层。这种易于工程化的方法为聚光太阳能、激光显示、特种光学装备等领域的纳米功能涂层规模制备和应用奠定了技术基础。

该研究团队专注于仿生高分子构筑、智能响应及其特异性质、高性能树脂和高性能纤维构效关系、高分子表界面材料工程化等基础和应用基础研究，并在产学研紧密结合上做出了一系列成效，与时代沃顿合作研发的低压海水反渗透膜产业规模国内排名第一、国际排名第四；向台湾长兴化工材料技术转移并合作开发的PSQ有机硅微球产量位列全球前茅。

原文链接: 化学所在微结构表面构筑共形功能涂层方面取得重要进展

文献链接: Conformal Nanocoatings with Uniform and Controllable Thickness on Microstructured Surfaces: A General Assembly Route (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201704131)

感谢徐坚研究员对本文的斧正和对材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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