「超晶格」新方法，實現在薄膜中製造複雜結構

嵌段共聚物PS-b-P4VP的化學結構、製造過程以及各種組裝過程。

eurekalert.org網站報道，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員發現了一種新方法，可以使自組裝材料（嵌段共聚物）組成更加複雜的圖案。這有望為材料設計開闢新視野。MIT材料科學與工程教授Alfredo Alexander-Katz、Caroline Ross和博士後研究人員Yi Ding等在《自然通訊》雜誌發表了相關成果。Alexander-Katz說：「從某種意義上說，這是一個偶然的發現。很多人都認為這是不可能的，但我們確實發現了聚合物的非常規對稱排列的自組裝模式。」

自組裝嵌段共聚物的鏈狀分子最初是無序的，但隨後它們會自發地排列成周期結構。研究人員發現，如果在基材上預製重複性線條或柱狀圖案，然後在基材表面形成嵌段共聚物薄膜，基材的圖案就可以在嵌段共聚物中「重現」。然而，用這種方法只能製造出簡單的圖案。而在新方法中，可以出現兩種不同的非匹配圖案：一種是蝕刻在基材上的柱狀/線條圖案，另一種是自組裝共聚物形成的固有圖案。有的人可能會認為嵌段共聚物的排序會變得很差，但Alexander-Katz等的實驗結果並非如此。Ross說：「相反，它正在形成一種更加複雜的圖案。」Ross等發現，自組裝共聚物中出現了一種與准晶體類似的重複模式——圖案會重複出現，但重複間距更長。Ross說：「我們正在利用分子過程在嵌段共聚物材料表面實現這種類准晶體模式。」

Alexander-Katz等認為，這可能為製造具有定製特性的光學系統或等離子體器件打開了新思路。在等離子體器件中，電磁輻射以精確調諧的方式與電子產生共振，因此這種裝置需要具備高精確度定位性和納米級對稱性。在新方法幫助下，這些苛刻的要求都可以被滿足。Katherine Mizrahi Rodriguez在本科學習階段參與過這個項目。她說，為了找到答案，研究團隊製備了大量嵌段共聚物樣品，並逐一在掃描電子顯微鏡下進行了觀察和分析。由此，他們才最終發現了類似准晶體的奇特圖案模式。Alexander-Katz解釋說：「在自組裝聚合物預期圖案與模板圖案之間產生了『阻挫』。阻挫破壞了原有對稱性，並促成了具有不同對稱性的新子區域。這就是大自然的解決方案，為了適應兩種模式之間的關係，第三種『勢力』異軍突起。」Alexander-Katz將新發現的圖案模式稱為「超晶格」。

在創造出超晶格結構後，Alexander-Katz等利用建模解釋了這個過程。論文合著者Karim Gadelrab博士說：「建模分析結果表明，超晶格模式在熱力學上是穩定的，我們也掌握了其形成條件。」Ding補充說：「我們從熱力學角度解讀了超晶格系統。新方法使我們能夠製造更精細的圖案，並獲得一些之前難以製造的新的對稱性。」他認為，這有望突破光學和等離子體材料設計和製造中的限制。

目前，研究小組的工作還僅限於二維表面，他們非常希望能將其擴展到三維表面。Ross說：「三維製造是製造業的破局者。現有微型設備的製造只能通過層疊技術進行，如果我們能使用三維技術一次性製造出整個設備，製造效率將會顯著提高。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

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