清华大学机械系汪家道课题组在自组装微纳制造领域取得重要进展_风闻

微纳制造技术自出现以来已经为众多的重要领域带来巨大突破，它对推动国家工业和经济的发展具有重大意义。但传统的微纳制造方法高度依赖于昂贵复杂的精密设备，存在加工速度慢、制备面积小、成本高等问题。近年来，各种胶体材料被开发出来，如果能通过胶体自组装精确地诱导这些胶体微纳米颗粒自发形成特定的结构，将有助于大幅提高效率、降低成本，推动微纳制造的发展。

胶体颗粒按一定的顺序和周期可组装成“胶体晶体”，由于胶体颗粒的特定排布、微纳米尺寸及材料特性等，出现了许多独特、有趣的性能，为大量应用带来了各种机会。例如微纳米颗粒的大小及周期位于光波尺寸，能够影响电磁波传播，产生光子禁带等，因此有望为光子晶体、结构色、结构色传感器等领域带来突破；微纳米颗粒单层自组装结构能够替代传统掩膜板，与光刻、离子刻蚀、化学刻蚀等结合，从而形成纳米孔、纳米柱、纳米花等各种衍生结构；微纳米颗粒本征单元尺度使得各种高精度/高分辨率微图案制造变得更加容易，为微电子/传感，防伪加密等领域带来有前途的机会。然而，目前学术研究中的胶体自组装大多速度慢、尺寸小，无法适用于真正的工业化过程。

《先进功能材料》封面图片

清华大学机械系汪家道教授课题组在研究中将张力梯度创新性引入到液气界面自组装中，提出了独特的张力梯度诱导纳米颗粒液气界面快速大面积自组装方法。在该研究中，首先建立了基于表面张力与纳米颗粒表面疏水改性的液气界面纳米颗粒松散悬浮构造方法及设计准则。进一步利用负载表面活性剂的凝胶构建液气界面张力梯度，诱发界面对流，打破纳米颗粒间的静电排斥能量壁垒，快速形成密排有序的大面积胶体晶体自组装结构。实验显示了液气界面横向毛细力能够诱导自组装但同时会损害自组装有序性的“双刃剑”作用，提出并证明了基于张力梯度抑制界面毛细团聚作用和提升液气界面自组装质量的有效性，实现了不同尺寸（从400纳米至8微米）、不同形状（球形、花簇状、核壳结构等）微纳米颗粒自组装薄膜在各种基底表面的可控制备。研究基于张力梯度自组装的灵活可持续构建优势，一定程度上解决了纳米颗粒在曲面上的高质量自组装制造难题。研究实现了超1000cm2自组装结构在几秒时间内的超快制备，制造面积和速度相比传统方法提升两个数量级以上，在一定程度上有效解决了大尺寸自组装结构工业化难题。

微纳米颗粒有序大面积自组装结果

受启发于传统油墨印刷，课题组进一步提出了基于纳米颗粒自组装转移印刷的胶体晶体微图案制备方法，实验揭示了纳米颗粒黏、脱附转移机理，实现了单纳米颗粒精度的微图案制备，同时继承保留了油墨印刷批量化快速制造的优势。进一步结合导电胶体材料，证明了它在柔性微电子大尺寸制造等领域中的应用潜力。这种高效的纳米颗粒大面积自组装-微图案化制造策略为光子晶体、微结构/图案制造、柔性微电子等众多领域提供了新思路，为学术和实际工业应用提供了广阔的机会。

基于纳米颗粒自组装-转移印刷的微图案制造策略

近日，相关成果以“基于胶体自组装及转移印刷的大面积胶体晶体微图案超快制造”（Ultrafast Fabrication of Large-Area Colloidal Crystal Micropatterns via Self-Assembly and Transfer Printing）为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，并被选为封面文章（Cover）。

清华大学机械系2018级博士生李轩为论文第一作者，汪家道教授为论文通讯作者，机械系助理研究员陈磊、马原、翁鼎，机械系2020级博士李兆昕、2022级博士宋乐乐、2020级博士张轩鹤、2022级博士余郭煦等在该研究中作出贡献。该研究得到国家自然科学基金面上项目等的经费支持。

供稿：清华大学