分子層面控制材料,，3D打印有望革新柔性電子制造技術(shù)

來(lái)源：DeepTech深科技

太陽(yáng)能電池可以是一片透明的薄膜,。

透明柔性太陽(yáng)能電池示例

這種柔軟的太陽(yáng)能電池,，可以裝在車窗或者房屋的玻璃上,。在炎熱的夏天,，既能吸收紅外光,，降低內(nèi)部空間溫度,，同時(shí)又可以發(fā)電。

不過(guò)這種柔性電子材料,，很難用傳統(tǒng)的蒸鍍制備方法實(shí)現(xiàn),。

以硅為例，它的熔點(diǎn)是 1,414 °C,。生產(chǎn)時(shí),，就要先升溫超過(guò)熔點(diǎn),，獲得單晶硅，再把單晶硅切分成小塊,，組裝成電子元件,。

這是一種自上而下的生產(chǎn)方式。而且由于需要高溫環(huán)境,，非常耗能,。常見(jiàn)的 3D 打印，也離不開(kāi)高溫環(huán)境,，通常要加熱到幾百度,。

如果換一種生產(chǎn)方式呢？像用墨水打印文字一樣,，同樣用液體作為基底，把電子材料的分子打印成需要的結(jié)構(gòu),。這就是溶液打印法,，是 “自下而上” 的打印思路。

要做到這一點(diǎn),，就需要對(duì)分子進(jìn)行精細(xì)地控制,。

這正是刁瑩和她的團(tuán)隊(duì)研究的方向。刁瑩目前是美國(guó)伊利諾伊大學(xué)助理教授,，她領(lǐng)導(dǎo)的小組研究的方向就是：通過(guò)調(diào)控分子組裝過(guò)程,，利用溶液法來(lái)打印電子材料。

流體控制技術(shù)：讓電子流動(dòng)更高效

溶液打印不是一個(gè)新的技術(shù),，“我們做的新的地方在于可以控制到納米甚至分子層面的結(jié)構(gòu),。”對(duì)比普通的 3D 打印,，只能控制到微米級(jí)別,。

“唐代已經(jīng)有印刷術(shù)了。雖然不太像我們現(xiàn)在做的事情,，但是基本的道理是一樣的,。”刁瑩說(shuō),。

打印報(bào)紙的時(shí)候,，需要把墨水打印到想要的地方；打印電子材料,，還要考慮到被打印材料里面的結(jié)構(gòu)是怎樣的,。

分子層面的溶液打印，就是以有機(jī)溶液為載體,，將分子打印成所需要的結(jié)構(gòu),。這種方式,，只需要 20 多度的室溫條件,。因?yàn)槭且匀芤鹤鳛榇蛴』���,，利用�?duì)溶劑的流體控制，也很容易打印柔性材料,。

電子材料對(duì)于結(jié)構(gòu)的控制要求非常高,。進(jìn)入微觀層面，分子的結(jié)構(gòu),、形態(tài),，即使微小的變化，都會(huì)對(duì)最終的材料性質(zhì)產(chǎn)生影響,，有時(shí)甚至是數(shù)量級(jí)的改變,。

如何精細(xì)地控制分子的結(jié)構(gòu)？這就需要利用分子的自組裝特性,。分子會(huì)依據(jù)其特性,，自發(fā)地從無(wú)序變?yōu)橛行颍�通過(guò)一些方式進(jìn)行引導(dǎo),，就可以讓分子按需排列,。

刁瑩實(shí)驗(yàn)室最近的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，是將原來(lái)卷曲的高分子結(jié)構(gòu)拉平,，從而實(shí)現(xiàn)更好的光電性能,。

共軛聚合物富含電子，單鍵和雙鍵交替,，這是讓電能快速傳播的關(guān)鍵,，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學(xué)應(yīng)用潛力。但是也存在問(wèn)題,，這些聚合物的形態(tài)通常是扭曲，嚴(yán)重阻礙電荷傳輸,。

施加巨大的壓力,，或改變共軛聚合物的分子結(jié)構(gòu)，雖然可讓其變得扁平,，但這兩種方式都需要密集的勞動(dòng)力,，很難進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn),。

刁瑩團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，在分子打印過(guò)程中，受到溶液流動(dòng)體的引導(dǎo)，共軛聚合物的分子可以在一個(gè)特殊階段變成平面形狀,，并在溶液沉淀后繼續(xù)保持這一形態(tài)。

發(fā)現(xiàn)了這個(gè)機(jī)制后,，刁瑩團(tuán)隊(duì)希望能夠進(jìn)一步研究它的普遍性,，讓流體控制技術(shù)在溶液打印中更廣泛使用,。

創(chuàng)新打印方式：動(dòng)態(tài)模板

刁瑩獲得過(guò)許多榮譽(yù),。她在2016 年被評(píng)為《麻省理工科技評(píng)論》全球“35 歲以下科技創(chuàng)新的 35 人”（TR35）、2018 年又獲得了斯隆學(xué)者獎(jiǎng),。

對(duì)她而言，最特殊的一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),，是 2018 年獲得的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的職業(yè)生涯獎(jiǎng)（NSF CAREER Award）,。這個(gè)獎(jiǎng)的背后，是她一次艱辛的突破,，她嘗試了新的研究概念——?jiǎng)討B(tài)模板,。

她和團(tuán)隊(duì)的伙伴們做了很長(zhǎng)時(shí)間，最終證明了 “動(dòng)態(tài)模板” 這一方法在分子溶液打印中的可行性,。

刁瑩團(tuán)隊(duì)關(guān)于 “動(dòng)態(tài)模板” 的論文 發(fā)表在《自然通訊》上

此前，在分子組裝中只有類似于”靜態(tài)模板”的技術(shù),。2014 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了藍(lán)光 LED 材料的三位研究者,，其中一項(xiàng)突破就是采用了這種技術(shù)。

制造藍(lán)光的 LED 材料缺乏單晶體底襯,，研究者采用藍(lán)寶石作為底襯,，設(shè)計(jì)出高序列的結(jié)構(gòu)，從而控制藍(lán)光 LED 的材料有序生長(zhǎng),。

“動(dòng)態(tài)模板”的概念則受到了自然界生物礦物質(zhì)合成的啟發(fā),。“我們觀察自然,，被生物系統(tǒng)的方式所啟發(fā),。”刁瑩說(shuō),。

但是不僅僅如此，這其實(shí)是一次逆向思維的過(guò)程,。

刁瑩在博士期間的研究方向本是藥物結(jié)晶,，但她卻被生物礦物質(zhì)的形成機(jī)制所吸引。自然界的珍珠就是通過(guò)動(dòng)態(tài)模板來(lái)實(shí)現(xiàn)離子組裝的,。

高分子的動(dòng)態(tài)模板本身非常無(wú)序,，但是卻可以引導(dǎo)礦物質(zhì)離子形成有序的結(jié)構(gòu),。原因在于模板和聚集的礦物離子之間會(huì)彼此協(xié)同。離子會(huì)在模板附近形成凝聚層,，動(dòng)態(tài)模板也會(huì)調(diào)整自己,，來(lái)適應(yīng)離子所需要的結(jié)構(gòu)。

在溶液打印中,，刁瑩想尋找到更有效方法來(lái)組裝高分子,，沿用已有的底襯設(shè)計(jì)思路非常困難。

“高分子結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜,，在生物礦物質(zhì)合成的過(guò)程中,，是高分子來(lái)組裝離子，在我們的系統(tǒng)中,，需要組裝高分子,，（我）就想，能不能用離子來(lái)組裝高分子,�,！�

刁瑩團(tuán)隊(duì)的研究最終證明，通過(guò)動(dòng)態(tài)模板技術(shù),，能夠打印出高度取向,、高度結(jié)晶的聚合物薄膜。這項(xiàng)控制分子組裝的技術(shù)有廣泛使用的潛力,。

靜態(tài)模板與動(dòng)態(tài)模板

好奇心與冒險(xiǎn)

有機(jī)電子材料,，是刁瑩從博士后才開(kāi)始進(jìn)入的領(lǐng)域。當(dāng)時(shí),，她除了想挑戰(zhàn)新的領(lǐng)域,，還有一個(gè)愿望，就是跟隨鮑哲南這位優(yōu)秀的科學(xué)家進(jìn)行研究,。

她回憶,，自己花了整整三年才進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

刁瑩提及在鮑哲南老師身邊的感受,，“她不僅是一個(gè)非常有成就的科學(xué)家,、創(chuàng)新家、還是一個(gè)非常好的人”,。

她回憶,，鮑老師從來(lái)不訓(xùn)斥學(xué)生，而是時(shí)時(shí)想著怎么幫助學(xué)生,�,！八龝�(huì)把學(xué)生的事業(yè)當(dāng)成自己的事業(yè)。”導(dǎo)師身上這種可貴品質(zhì)深深觸動(dòng)了刁瑩,。她說(shuō),，“這一點(diǎn)我非常敬佩她，而且想要和她一樣,�,！�

刁瑩從 2015 年開(kāi)始帶領(lǐng)自己的研究小組，官網(wǎng)封面來(lái)有自居里夫人的話,，“實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家…… 也是一個(gè)被置于自然現(xiàn)象之前的孩子,，這些自然現(xiàn)象給他 / 她留下的印象就像童話一樣”，“如果我看到我周圍有什么重要的東西,，那就是那種似乎堅(jiān)不可摧的,、類似于好奇心的冒險(xiǎn)精神�,！�

從博士時(shí)期的藥物結(jié)晶轉(zhuǎn)向博士后的有機(jī)電子材料,，這是她在科研領(lǐng)域的冒險(xiǎn)。具體到科研態(tài)度上,，她也覺(jué)得 “冒險(xiǎn)精神” 很珍貴,。

“不僅是說(shuō)有一個(gè)問(wèn)題我需要解決，而且需要有好奇心,，如果一腦門想去解決問(wèn)題的話,，思維可能會(huì)局限在某個(gè)具體問(wèn)題上。如果你有一些冒險(xiǎn)精神,，或者科學(xué)的好奇,，有時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)令人驚喜的結(jié)果�,！�

交叉學(xué)科的背景，以及科學(xué)上的好奇心,，最近又帶來(lái)了新的突破,。她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一組不成功抗癌藥物的分子，可以被利用作為有機(jī)半導(dǎo)體,�,！爱�(dāng)時(shí)我在看到分子的時(shí)候，突然間想到和有些電子材料比較像,，我就想,，它會(huì)不會(huì)是電子材料？”

不同的分子結(jié)晶圖案

制造未來(lái)的材料
刁瑩所帶領(lǐng)的研究小組,，目標(biāo)是理解基本分子組裝過(guò)程,，來(lái)控制打印材料的特性，最終為醫(yī)療設(shè)備、能源等領(lǐng)域提供節(jié)能高效的材料制造,。

她 2016 年獲得 TR35 的研究突破是柔性太陽(yáng)能電池,。通過(guò)控制納米層面的結(jié)構(gòu)，加快電荷的分離速率,，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率,。

2020 年開(kāi)始，她的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)之前的研究,，從更微觀的分子層面來(lái)控制結(jié)構(gòu),，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率。同時(shí),，她們也在研究如何控制分子的自主裝過(guò)程,，讓打印出來(lái)的太陽(yáng)能電池更加穩(wěn)定。

溶液打印速度快,，又適合打印大面積的材料,。她想通過(guò)自己的努力，讓這一打印方式有更廣泛的應(yīng)用,。

當(dāng)初,，她做出選擇，從藥物結(jié)晶領(lǐng)域轉(zhuǎn)到有機(jī)電子材料,，就是希望能離可應(yīng)用的技術(shù)近一些,，想看到自己的研究對(duì)現(xiàn)實(shí)真正產(chǎn)生影響。目前,，電子材料的主流制作方法還是蒸鍍,。

“蒸鍍的方式其實(shí)是很貴的，像我們買的智能手表,，顯示屏是最貴的原件,。如果能用溶液打印的方法，可以大幅度降低成本,�,！�