Nano Today综述报道: 液体桥诱导组装（LBIA）策略：从小分子到大分子和纳米材料的可控一维图案化

【背景介绍】

由于一维（1D）组件/结构的功能纳米材料可以定向地传输电子、激子、光子或声子，所以其在高密度微电路、场效应晶体管和高灵敏度传感器等领域具有巨大的应用价值。目前，通常使用溶液处理策略来制造一维组装材料，但是滴铸、旋涂或喷墨印刷等传统的溶液工艺难以控制其去润湿过程。因此，能很好的控制去润湿的制备策略显的非常重要。其中，近来报道的利用润湿性控制来控制固体表面上液体去湿是比较有效的方法，因为亲液的固体表面优选扩散液体，而疏液的固体表面排斥液体。通过研究发现，润湿性控制在微观尺度上支配液体去湿也是非常有效途径。当将常规亲液的点/条带引入疏水表面时，可以出现具有几微米的高度有序的液体桥。由于挥发性溶剂的蒸发，每个液体桥的宽度将逐渐收缩，因而每个液体桥可以用作线性限制间隔以限制内部客体的组装，从而形成有序1D结构的功能材料。最重要的是微型液体桥的图案化（位置、方向和密度）是可通过精心设计对亲液的/疏液的区域进行调整，从而精确控制1D组件。这种润湿性控制的液体桥诱导装配策略可以有效的解决制备1D组件中的控制挑战。可见，对这种策略的发展进行概述是非常有必要的且有助于推动一维材料的快速发展。

【成果简介】

最近，华中科技大学的苏彬教授和中国科学院理化技术研究所的江雷院士（共同通讯作者）等人合作总结发表关于利用液体桥诱导组装（LBIA）策略控制功能材料的一维图案化研究进展的综述。在本综述中，简要的回顾了最近利用液体桥诱导组装（LBLA）策略，从小分子到大分子和纳米材料在精确定位1D图案化方面取得的进展。其中，第一部分介绍了润湿性主导液体桥阵列产生的基本理论。第二部分则主要讨论了目前定制位置的各种方法，以及制备好的一维材料的结构。第三部分展示了可通过LBIA策略组装的各种功能材料，并提出了指导材料的选择规则。第四部分则演示了LBIA主导的一维材料的代表性应用，例如荧光传感器、波导、微电路、场效应晶体管和压力传感器。最后，对该方法和应用领域进行了简短的总结和展望。研究成果以题为“Liquid bridge induced assembly (LBIA) strategy: Controllable one-dimensional patterning from small molecules to macromolecules and nanomaterials”发布在著名期刊Nano Today上。
【图文解读】

1、液体桥诱导装配（LBIA）机制

图一、超疏液的微柱结构基板形成规则的液体桥接阵列
（a, b）超疏液的微柱结构基板上形成的规则液体破裂时排列成纳米线的原理图(a)和SEM (b)图像；

（c）一个液体桥内F_c和F_s的示意图；

（d） F_c和F_s对液体桥的颈半径(R_n)的依赖关系。

图二、 液体桥诱导组装(LBIA)策略中尖端诱导效应和最近的桥接规则的研究
（a）一对微形柱之间尖端到尖端形状的1D组件示意图；

（b）F_c和F_s对尖端形状的微形柱的位置的依赖性；

（c）位置配合比对微柱尖角的依赖性；

（d）水平和垂直纳米线形成比率随尖端距离的变化；

（e）水平和垂直方向上的F_s与尖端距离的比率的变化。

2、可控图案化和一维组件的结构

2.1、可调图案

图三、在定制LBIA过程中定位制备1D组件的动态策略
（a）柔软且可拉伸的柱状结构PDMS基板可以通过外力改变柱间隙，产生不同的线图案。其中，（b, c）一个水平纳米线；（d, e）平行纳米线；（f, g）人字形的纳米线；（h, i）通过在不同方向上拉伸在同一基板上产生的一个45°纳米线。

图四、通过预先设计的微柱图案按需定位制备1D组件
（a）柱结构基板上的液膜破裂的示意图，允许形成Z字形线阵列；

（b-g）精确定位（b, c）方形、（d）主轴、（e）齿形、（f）三角形和（g）J形-微柱的图案的SEM图像。

2.2、可调结构

图五、在LBIA过程中调整制备好的1D组件结构的方法
通过LBIA工艺获得的（a）光滑、（c）粗糙、（e）珠状、（g）1D二元超结构和（i）同轴结构的示意图。（b）、（d）、（f）、（h）分别是（a）、（c）、（e）、（g）的对应SEM图像。（j）是（i）的对应TEM图像。

3、不同种类材料的1D组件

3.1、小分子、大分子和2D 纳米材料

图六、通过LBIA策略将多种不同材料组装成一维组件

3.2、0 D纳米材料

图七、原位透射电镜观察蒸发水条纹内部收缩空间驱动的一维NPs组装的形成
（a, b）实验装置的示意图；

（c）水蒸发后NPs 1D组装的过程的系列原位TEM图像；

（d）分别根据（c）的横截面部分的示意图。

图八、通过LBIA策略调整NP 1D组件的宽度
GNP 1D组件的TEM图像，通过降低GNP / PVA的比值可以调其宽度为（a）6-8、（b）4-6、（c）4、（d）2至（e）单粒度。

4、LBIA主导调控的一维材料的应用

图九、扩展LBIA策略以满足材料应用的不同要求
（a, b）在疏液的基质上引入亲液的结构域的印刷技术示意图；

（c, d）用于处理油溶性功能材料的超疏油的柱结构模板；

（e, f）三明治夹层系统允许将1D组件直接生长定位在所需的顶部基板上。

图十、LBIA策略制备的一维组件的典型光学应用
（a）聂耳红和钙黄绿素的分子式、（e）GNP的TEM图像和（i）Fe3O4纳米颗粒的示意图；（b）、（f）、（j）分别是LBIA过程后的（a）、（e）、（i）的一维组件；（c）、（g）、（k）是器件集成或器件测试系统的示意图；（d）、（h）、（l, m）分别是设备性能。

4.1、电子产品

图十一、LBIA策略制备的一维组件的典型电气应用
（a）SNP的TEM图像、（e）DTT-DPP和（i）6,13-双（三异丙基甲硅烷基乙炔基）并五苯（TIPS-并五苯）的分子式；（b）、（f）、（j）分别是LBIA过程后的（a）、（e）、（i）的一维组件；（c）、（g）、（k）是器件集成或器件测试系统的示意图；（d）、（h）、（l）分别是设备性能。

4.2、磁探测器

图十二、基于磁性NPs的1D组件的各向异性特性来制造磁性检测器
（a）氧化铁纳米颗粒的一维组件的示意图；

（b）氧化铁质NP链的磁化对外部磁场方向的依赖性；

（c-e）宽度分别为（c）0.16、（d）0.31和（e）0.82 μm环氧化铁NPs的1D组件的SEM图像；

（f-h）分别在（c'）中的磁性NP的1D组件的磁性。

5、总结与展望

综上所述，本综述总结了通过LBIA策略从小分子到大分子和纳米材料精确定位1D图案的最新进展。详细讨论了机制、选择功能材料的规则以及调整一维装配的位置和结构的策略。由于各向异性线性结构、可调材料种类、可控分子堆积以及在所需基板上的按需定位，由LBIA策略主导制备的1D组件在光学、电学和磁场中巨大的应用价值。然而，我们必须明确关于LBIA策略的研究还处于起始阶段，其发展存在许多的挑战：1）、大多数功能性材料溶解在有机溶剂中，而不是水中。2）、虽然将小分子组装成单晶1D微结构可以促进波导、高灵敏度的光电探测器甚至激光场，但是在选择功能性分子链段和相关有机溶剂以促进小分子的紧密堆积还存在许多不明确的地方。3）、基于NP的一维结构的传输损耗是相当大的，尤其是在光学应用中。同时，通过研究发现LBIA策略的主要优势是采用自收缩液体桥梁作为限制间距来限制客体材料的一维装配。因此，这种软的受限间距可以窄到几纳米尺寸，进而可以使NP链的宽度为单个NP。该特征还可以促进未来的非线性聚合物流变学和DNA技术。最后，相信通过LBIA策略制备一维功能材料组件/结构将提供可能有利于不同应用领域的新机会。

文献链接：Liquid bridge induced assembly (LBIA) strategy: Controllable one-dimensional patterning from small molecules to macromolecules and nanomaterials（Nano Today, 2019, DOI: 10.1016/j.nantod.2019.02.010.）

通讯作者简介

苏彬 博士，华中科技大学，材料科学与工程学院，教授，博士生导师。“华中学者”特聘岗；国家中组部“千人计划-青年项目”获得者；湖北省“百人计划-青年项目”获得者；澳大利亚研究委员会早期职业研究员奖（ARC-DECRA）获得者。

江雷 院士，无机化学家、纳米材料专家，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家工程院外籍院士，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，北京航空航天大学化学与环境学院院长。

本文由材料人CQR编译，材料人编辑整理。

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