精巧的图案与多彩的泡泡｜新知_风闻

图1 公园中五彩缤纷的气泡（作者2022年4月拍摄于玉渊潭公园）

生活中随处可见各种精巧绝伦的图案，从著名的地标建筑到杂志上各色各样的插图，甚至是手机电脑内部的电路芯片，都离不开图案的设计与制造。印刷图案的方式也是五花八门，从生活中常见的打印机到复杂精密的光刻机。然而，这些印刷设备总让人觉得是一类古板的机械装置，谁又能想到在科研人员手中，自然界的气泡也能用来印刷图案呢，甚至是达到了纳米级、分子级的超高精度呢！说到气泡，总能让人联想到这么一幅场景，淑气渐生，花鸟相语，早春的公园里随处可见欢乐的孩童、孩童手中的玩具以及身边漫天飞舞的气泡。阳光下多姿多彩的气泡让人觉得自由自在，绚丽宜人。实际上，科学意义上的气泡是指气体在液体中分散形成的结构，其表面的液体层可以通过自发的排液过程快速达到数十纳米，甚至是几纳米的厚度。前者我们称作普通黑膜（Common Black Film），一般由数层分子组成，而后者称作牛顿黑膜（Newton black film），由双分子层构成。这种超薄的气泡膜空间就是联系琢磨难定的气泡与形态各异的图案之间的桥梁。

图2 气泡印刷构筑超高精度分子图案

中科院化学所绿色印刷实验室的宋延林团队从控制气泡的演化规律出发，借助微结构模板实现了对气泡群演化行为的直接控制，制备了三角形、正方形、六边形、菱形等多样化的气泡图案。在此基础上，研究团队精心设计了“双片段式”模型分子，将功能基团与水溶性基团通过柔性烷基链共价连接在一起，并将其引入到超薄的气泡膜空间，实现了无表面活性剂添加的、最高精度可达12nm的，仅由5-6层分子构成的高精度图案的印刷制备。研究人员又进一步利用模型分子聚集诱导发光的特性实现了对于气泡群演化过程的原位实时观察，并且发现图案的印刷过程经历了气泡演化、气泡破裂以及液桥干燥三个过程。其中，调控气泡膜破裂过程的空间位置可以进一步实现直线、虚线、串珠线等多种复杂线形貌的精准印刷。

图案精度的控制也与气泡息息相关。气泡膜空间的动态演化以及分子在软限域空间内的聚集组装过程是图案最高精度的决定性因素。科研人员发现，对称结构的分子具有更好的分子重构能力、更小的聚集体结构以及更有序的片层状堆积行为。在对称结构分子的参与下，气泡膜可以稳定演化至十纳米附近，这也进一步表明了图案精度与气泡演化过程的相关性。

图3 从液膜收缩与分子聚集角度揭示不同对称性分子的气泡膜受限组装机制

该方法提出了一种基于气泡阵列的纳米-分子尺度图案印刷新方法，其过程简单，可控性强，为高灵敏传感器以及具有独特纳米限域效应的光电子器件等领域的发展奠定了技术基础，也为进一步构筑分子器件及分子电路提供了新理论、新思路。

来源：中国科学院化学研究所