中科院化学所宋延林研究员课题组与力学所郑旭副研究员合作：基于液体软模板调控不同尺寸颗粒的复杂组装图案化

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近日，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组与力学研究所郑旭副研究员合作，通过操控更加复杂多样的液体软模板来控制多种颗粒的精细组装图案。研究发现，通过调节液体在硅柱模板的浸润状态和去浸润过程, 能够精确控制颗粒在液体软模板限域下的组装。相关研究成果以“Formation of Multicomponent Size‐Sorted Assembly Patterns by Tunable Templated Dewetting”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201810728）。

在超亲水基底上，由于外向的毛细流和气-固-液三相接触线附近界面的楔形限域，大小颗粒在三相接触线附近有了尺寸分离：小球更接近三相线而大球相对远离三相线。作者利用超亲水的硅柱模板、微纳米颗粒的组装液、以及平面基材组成三明治夹层结构，组装液在超亲水硅柱模板上退浸润的过程中，三相线推动保持有大小分离状态的颗粒从模板边缘向模板的中间位置运动。在气液界面遇到硅柱表面时，液体和颗粒发生了如图1b中的变化，并最终得到了环状的组装结构。同时，作者通过调节颗粒的组成，增加了组装结构的多样性。

图1. 双颗粒环组装图案的形成过程和组装结构多样化

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究发现，利用不同凸边形的模板，能够实现不同的组装图案（图2）。最终的结果是大颗粒围绕硅柱边缘，小颗粒围绕大颗粒外侧（远离硅柱）的边缘。这样的尺寸分离是由亲水基底上三相线附近的楔形限域空间决定的。对于三种颗粒的组装，也会得到颗粒由大到小逐渐径向远离硅柱的尺寸分选组装图案，但是最小颗粒容易在较大尺寸的颗粒组装间隙分布，这是受到颗粒填充原理的影响。通过改变硅柱的高度，调节液体软模板的限域空间，能够对不同尺寸颗粒的组装进行有效控制。结果表明，能够发生限域组装颗粒的尺寸随着硅柱高度增加而增大。

图2. 双颗粒环组装图案的控制和三颗粒环的组装

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在后退角大于45°的疏水基底上，颗粒的组装又会出现不同的形式（图3）。首先，液体的边缘界面形状在疏水基底上发生了改变，在气液界面开始接触到硅柱表面时，三相接触线附近的气液界面与硅柱表面组成的限域空间不足以让大颗粒进入，只有小尺寸颗粒能够在硅柱前端被限域，而大颗粒被阻挡在硅柱的后面，这样就对大小颗粒的限域组装进行了选择。不同于以前只在亲水基底上能够实现大小颗粒的分离，这里在疏水基底上实现了大小颗粒的分离，并能够控制其组装图案。作者通过实验和理论分析，能够控制液体退浸润的方向。对于截面具有各向异性形状的硅柱模板，作者通过调节液体退浸润的方向，最终得到了不同的组装图案。

图3. 颗粒分离图案的形成和图案多样化
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

该工作对液体软模板限域控制颗粒组装进行了深入的发展，实现了多种颗粒尺寸分选组装图案。通过控制硅柱模板高度、液体在模板上的浸润性和液体退浸润的方向，不仅可以对液体软模板的限域空间进行灵活的设计，还能够实现制备多种可调控的颗粒组装图案。这种方法普遍适用于多种尺寸和材料的颗粒组装。该工作揭示了液体软模板限域对颗粒精细组装图案化的有效控制，这对于印刷制备复杂结构的光电器件具有重要意义。

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