中科院朱光團隊ACS Nano：自供電納米結構表面高分子微球的摩擦帶電自組裝

【引言】

自組裝過程，其單個組分通過非共價鍵相互作用形成有序結構，在光電子學，微細加工，生物膜和納米電子學等領域具有廣闊的應用前景。氫鍵，范德華力，靜電力，表面張力和離子吸收等基本原理已被開發用於自組裝。通常情況下，自組裝包含具有微米或納米尺度特徵尺寸的構成物體，其重力和慣性的影響是微不足道的。然而當物體擴大到毫米級，隨著重力作用的凸顯，對於毫米級聚合物珠粒等明顯較大的物體，通常需要外加從幾kV到幾十kV的電壓源，自組裝因而變得具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所朱光研究員(通訊作者)團隊在ACS Nano發表題為「Triboelectrification-Induced Self-Assembly of Macro-Sized Polymer Beads on Nanostructured Surface for Self-Powered Patterning」的文章。在該項工作中，在不使用額外電壓源的情況下，利用靜電模板自組裝(ETSA)方法在納米結構的平面襯底上實現對毫米級聚合物珠粒的任意圖形化。聚合珠粒和基底以摩擦電荷產生驅動自組裝過程的面內靜電力，該研究將分析計算與數值模擬相結合，以推導靜電力，得到與實驗測量值吻合度很高的對比結果。自組裝圖案僅由預定義的下層電極控制，使其可以隨意切換成不同組的電極圖案。通過將組裝的圖案轉移到彈性體基質中，證明了將ETSA方法用於製造光學顯示器和柔性顯示器的可能性。

【圖文導讀】

圖1 ETSA裝置和自組裝珠粒示意圖

(a)ETSA裝置結構；

(b)通過等離子體干法蝕刻產生的聚合物NWs的SEM圖像；

(c)組裝後尼龍珠照片；

(d)在一橫截面視圖中電荷分布圖；

(e)不同位置的作用在珠子上的靜電力圖；

圖2 由COMSOL計算的ETSA裝置不同部分的三維電勢分布

(a)自組裝後尼龍珠；

(b)電化層；

(c)銅電極層；

(d)PMMA基材；

圖3 作用於尼龍珠的計算靜電力

(a)三窗口區域的自上而下視圖，其中第一行代表窗口中心的位置；

(b)沿著線1位於珠子上的Fes-x；

(c)沿著線1位於珠子上的Fes-z；

(d)第2行表示遠離窗戶的位置的三窗口區域的俯視圖；

(e)沿著線2位於珠子上的Fes-x；

(f)沿著線2位於珠子上的Fes-z；

(g)Fes-x和珠粒的相應位置；

(h)當基底以70°的角度傾斜時，錨固在窗口部位內的珠粒圖；

圖4柔性顯示面板的構建

(a)-(e)將組裝好的圖案轉移到聚合物基質中的流程；

(f)將尼龍珠自組裝成預定圖案；

(g)柔性顯示面板嵌入到聚合物基體中；

(h)在黑暗中發光的顯示面板；

【小結】

該研究提出了一種靜電模板自組裝（ETSA）方法，可以在不依靠外部電源的情況下任意構圖毫米級聚合物珠粒。與常規的ETSA方法相比，該ETSA方法實現了以自供電方式任意圖案化毫米級聚合物珠粒。通過設計柵極圖案，可以用簡單的製作工藝和少量的材料實現大尺寸聚合物珠粒的任意圖案化。基於其自供電特性，簡單的製造工藝和可重複使用的模板，ETSA方法在大尺寸珠粒的自組裝過程中是一種可行的方法，並且可能在將來的所有尺度上被用於開發功能顆粒。

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

本文由材料人編輯部連婷婷編譯， 劉宇龍審核。

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