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刁瑩創(chuàng)新打印方式:動(dòng)態(tài)模板

hl5C_deeptechch ? 來源:DeepTech深科技 ? 作者:DeepTech深科技 ? 2020-09-08 15:07 ? 次閱讀

太陽能電池可以是一片透明的薄膜。

圖 | 透明柔性太陽能電池示例

這種柔軟的太陽能電池,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。常見的 3D 打印,也離不開高溫環(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:通過調(diào)控分子組裝過程,利用溶液法來打印電子材料。

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。”刁瑩告訴 Deeptech。 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』祝脤?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)地從無序變?yōu)橛行颍ㄟ^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 年獲得的美國國家科學(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。

圖 | 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(來源:Nature Communication)

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。

“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)。”刁瑩告訴 Deeptech。 但是不僅僅如此,這其實(shí)是一次逆向思維的過程。 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動(dòng)態(tài)模板來實(shí)現(xiàn)離子組裝的。 高分子的動(dòng)態(tài)模板本身非常無序,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)合成的過程中,是高分子來組裝離子,在我們的系統(tǒng)中,需要組裝高分子,(我)就想,能不能用離子來組裝高分子。” 刁瑩團(tuán)隊(duì)的研究最終證明,通過動(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。

圖 | 靜態(tài)模板與動(dòng)態(tài)模板(來源:受訪者) 好奇心與冒險(xiǎn)

有機(jī)電子材料,是刁瑩從博士后才開始進(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,鮑老師從來不訓(xùn)斥學(xué)生,而是時(shí)時(shí)想著怎么幫助學(xué)生。“她會(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,“這一點(diǎn)我非常敬佩她,而且想要和她一樣。” 刁瑩從 2015 年開始帶領(lǐng)自己的研究小組,官網(wǎng)封面來有自居里夫人的話,“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,她也覺得 “冒險(xiǎn)精神” 很珍貴。 “不僅是說有一個(gè)問題我需要解決,而且需要有好奇心,如果一腦門想去解決問題的話,思維可能會(huì)局限在某個(gè)具體問題上。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。“當(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?”

圖 | 不同的分子結(jié)晶圖案(來源:刁瑩研究團(tuán)隊(duì)官網(wǎng))

制造未來的材料

刁瑩所帶領(lǐng)的研究小組,目標(biāo)是理解基本分子組裝過程,來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能電池。通過控制納米層面的結(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程,讓打印出來的太陽能電池更加穩(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。”

原文標(biāo)題:柔性力量崛起!華人科學(xué)家精細(xì)調(diào)控分子,有望革新柔性電子材料技術(shù)

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