【人物与科研】中科院化学所宋延林研究员课题组：纳米材料印刷及图案化领域取得的一系列重要研究进展
导语
近年来，中科院化学所宋延林研究员课题组利用纳米绿色印刷技术，在纳米材料印刷及图案化领域开展了深入系统的基础研究。他们在固体表面打印和构造精确可控的三维微米结构，突破传统印刷技术的精度极限，实现了微纳米尺度精细图案的印刷及纳米功能材料的可控组装，并发展了在印刷电子及可穿戴器件领域的应用。基于液滴界面行为控制与印刷制备功能器件工作，取得了一系列重要研究进展，在Nature Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等重要学术期刊发表了研究结果。
宋延林研究员课题组简介
宋延林研究员课题组聚焦国家和行业重大需求，以打印印刷中的基础科学问题为突破点，以引领印刷产业的“绿色化、功能化、立体化、器件化”发展思路为主线，率先开展纳米材料与印刷技术的创新融合研究。课题组的主要研究方向包括：（1）纳米绿色印刷基础研究。开展液滴在材料表面的铺展、融合、转移和挥发收缩等行为操控研究，突破打印、印刷中的基础前沿科学问题，发展固体、液体和气体为模板的新概念绿色印刷制造方法，实现不同功能纳米材料的高精度图案化和功能器件制备。（2）绿色印刷材料与技术。开展绿色印刷版材、绿色制版技术、环保型印刷油墨、绿色数字印后整饰增效材料和技术等绿色印刷技术研发和产业研究，引领绿色印刷产业新发展。（3）印刷电子材料与技术。重点开展纳米绿色印刷电子油墨、导电设备、生产线建设以及该技术在RFID等领域的应用研究。（4）印刷光子材料与技术。光子晶体材料因其对光子传播的调控性能而被称为"光半导体"，其研究和应用受到广泛关注。课题组以光子晶体材料的批量制备和应用为目标，开展印刷技术在光子领域应用中的科学和技术问题研究。课题组主要成员包括李明珠研究员、周海华研究员、张兴业副研究员、杨明副研究员、王旭朋副研究员、何敏副研究员、李立宏副研究员、蒋克健副研究员。
宋延林研究员简介
中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、绿色印刷重点实验室主任。1989 年和1992 年分别于郑州大学化学系获得学士、硕士学位；1996 年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位，1996-1998 于清华大学化学系从事博士后研究；1998年进入中国科学院化学研究所工作。2006年获国家杰出青年科学基金，终评获“特优”。现为北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任；中国材料研究学会、中国印刷技术协会、中国真空学会、中国计算机行业协会常务理事，中国感光学会、中国微米纳米技术学会理事，中国颗粒学会副理事长；国际电工协会印刷电子工作组专家， Scientific Reports ，《化学学报》等学术期刊编委。长期从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家纳米重大研究计划、中科院战略先导研究计划及863重点项目等30余项。已发表SCI 收录论文300余篇，被他人引用10,000余次，并多次被美国化学会（ACS）、英国皇家化学会（RSC）、亚洲材料（Asia Materials）等作为研究亮点报道。
前沿科研成果
纳米材料印刷及图案化领域取得的一系列重要研究进展
（1）课题组设计了在模版和基材之间毛细液桥的方法，通过控制液体限域空间，巧妙地实现了颗粒在液体限域下的可控精确组装和图案化。对于含有单一尺寸的颗粒，颗粒逐步组装，首先形成中间态结构，之后向最终结构转变的过程受到体系粘度的影响。通过控制体系粘度，可以得到精细的锯齿型和线型组装结构。对于含有两种不同尺寸颗粒的液体，由于液体是逐渐收缩的，大小颗粒在液体限域条件下发生程序化组装，大颗粒首先被限域，作为模板与后来被限域的小颗粒发生共组装。通过控制液体限域空间和颗粒的组成，成功实现了多种有序一维共组装结构的精细调控。研究成果发表于德国应用化学 （Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15348-15352）和美国化学会志（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 18-21），并应邀撰写综述（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 57, 2544-2553; Small , 2017, 8, 1603217）。
图1 颗粒组装形成锯齿形和线型的结构图案
（来源：Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15348-15352）
图2 二元颗粒共组装形成不同的精细结构图案
（来源：J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 18-21）
（2）针对高密度集成电路间的电磁干扰等难题，课题组与中科院半导体研究所合作，从群体智慧出发，设计了液滴的自发收缩成型思路，使含有纳米颗粒的溶液自然形成热力学上最低表面能的状态，其对应的就是数学上所有节点间最短连接，从而实现了最优微纳线路的印刷制造，减少了65.9%的电磁干扰。液滴在模板间自发收缩成最低表面能状态，使最终印刷的最优微纳线路长度减少了8.9%，延时减少了17.1%，能量延损减少了24.5%，为将来高性能芯片的线路制造提供了全新的设计思路。并实现了三维微纳结构精细制造，应用在立体电路和多色显示器件中，该系列研究成果均作为封面论文发表在Adv. Mater. （Adv. Mater., 2017, 29, 1605223；Adv. Mater., 2018, 30, 1703963）。
图3 最优微纳线路的印刷制造
（来源：Adv. Mater., 2017, 29, 1605223）
图4 3D印刷多材料微纳结构
（来源：Adv. Mater., 2018, 30, 1703963）
（3）课题组利用微模板操控泡沫的演变，克服了困扰百余年的气泡控制难题，实现了气泡的“印刷”图案化，并以此为模板组装多类功能材料，为功能器件的印刷制备开辟了全新的思路（Nat. Commun., 2017, 8, 14110）；进而利用该方法制备了由无序可控导电网格的无摩尔条纹显示屏（Adv. Opt. Mater., 2017, 5, 1700751）。
图 5 二维泡沫演化的调控及图案化
（来源：Nat. Commun., 2017, 8, 14110）
图6 泡沫模板法印刷制备无摩尔条纹显示屏
（来源：Adv. Opt. Mater., 2017, 5, 1700751）
（4）课题组通过一种纳米组装-印刷方式制备了蜂巢状纳米支架，作为力学缓冲层和光学谐振腔，大幅提高了柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和力学稳定性。所制备的柔性钙钛矿太阳能电池光电转换效率达12.32%，并具备优异的耐弯折性，可应用于柔性太阳能电池组件。由于该太阳能电池组件光电转换效率高、性能稳定，使大尺寸柔性钙钛矿太阳能电池应用于可穿戴设备变得可行。研究成果以封面论文发表在Adv. Mater.（Adv. Mater., 2017, 29, 1703236）。
图7 蜂巢纳米支架的制备及可穿戴太阳能电源应用
（来源：Adv. Mater., 2017, 29, 1703236）
（5）课题组与河北师范大学周金明教授（2011年于本组博士毕业）合作，通过将石墨烯纳米片和石墨烯量子点引入光学结构，利用石墨烯纳米片的吸光性质消除了无序光学结构引起的非相干散射，提高了结构色的色彩饱和度；同时借助石墨烯量子点随激发波长调节的光致发光性质及其与光学结构的相互作用，使石墨烯量子点发光波长和光学结构的光子带隙间匹配，实现了利用石墨烯量子点的发光对非彩虹结构色的色彩亮度的有效补偿。在此基础上，利用无序光学结构为模板，通过填充聚丙烯酰胺水凝胶，制备了一种具有湿度响应性的结构色纳米复合薄膜。薄膜的色彩可随环境湿度的变化而发生变化，从而可以指示环境的湿度变化。本研究有效推动非彩虹色结构色材料的在智能颜料、新型可视化传感器等领域的应用。研究成果发表于先进功能材料上 （Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1802585）。
图8 高亮度结构色湿度传感器
（来源：Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1802585）
关于人物与科研
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