中科院化学所宋延林研究员、乔雅丽研究员等Angew：气泡辅助功能分子图案化的新方法
分子器件被认为是光电子器件未来发展的重要方向，但高精度有机功能分子图案的制备是一个重大的挑战。
为了实现有机分子的高精度组装，科学家们发展出众多方法，但其图案化依然面各种挑战。例如，传统的L-B膜方法虽然可以实现高精度的分子组装，难以构筑复杂图案。泡沫体系界面分子层的精度可达几纳米，但由于泡沫演化受奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化的影响，使得泡沫互相吞并无法实现可控的图案化组装。
近日，中科院化学研究所的宋延林研究员、乔雅丽研究员和张贞研究员、中科院过程工程研究所闫学海研究员合作，利用TPPS (meso-tetra(4-sulfonatophenyl) porphyrin) 作为模型分子，提出了一种利用气泡辅助高精度分子组装图案化的方法。
（a-c）气泡辅助组装过程的示意图。（d-f）气泡辅助过程的光学显微镜照片。（g）TPPS和SDS的分子模型。（h）TPPS分子组装栅格的暗场光学图像，覆盖面积为2.7 mm×1.8 mm。
研究人员利用图案化的硅柱模版来控制泡沫体系中的气泡演化，抑制了奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化，最终获得精确可控的泡沫图案。有机分子的组装分为气泡演化和分子组装两个阶段，分别由拉普拉斯压和分子间相互作用控制。通过调控组装过程中的溶液浓度和接触角，可以得到大面积的有机分子图案，图案精度达80nm。
(a)TPPS网格的SEM图像; (b) 不同宽度的TPPS线段SEM图像; (c) AFM三维成像; (d) 不同组装条件下的相图。比例尺：(a) 50 μm ; (b) 500 nm.
研究人员通过SEM和AFM表征了所获得TPPS网格的微观形貌，表明该组装方法得到的网格具有规整的微观形貌。他们还详细研究了基底接触角和TPPS溶液浓度对于组装结果的影响，指出在相对亲水（接触角 < 60°）和适中的溶液浓度下，可以得到最优的组装结果。
(a)紫外吸收谱 (b)Pi-A曲线 (c)原位二次谐波信号检测 (d, e)分子动力学模拟的组装结果 (f)气泡辅助组装的多级示意图
结合分子动力学模拟、紫外光谱、微区拉曼以及二次谐波检测，他们给出了在气泡辅助条件下的分子多层次组装结构。研究表明：表面活性剂分子以及有机功能分子在组装过程中承担了不同功能；对于由表面活性剂和有机功能分子组成的双组分组装体系，表面活性剂与有机功能分子需要有相同的电荷，以保证气泡系统的稳定。
该方法为实现有机功能分子的高精度的图案化提供了新策略，在分子器件的制备领域有广泛普适性。
文章以A Bubble-Assisted Approach for Patterning Nanoscale Molecular Aggregates 为题发表在发表于国际知名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。文章第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生闵凡一，通讯作者是中国科学院化学研究所乔雅丽研究员和宋延林研究员。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103765
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