分子層面控制材料，3D打印有望革新柔性電子制造技術(shù)

來源：DeepTech深科技

太陽能電池可以是一片透明的薄膜。

透明柔性太陽能電池示例

這種柔軟的太陽能電池，可以裝在車窗或者房屋的玻璃上。在炎熱的夏天，既能吸收紅外光，降低內(nèi)部空間溫度，同時又可以發(fā)電。

不過這種柔性電子材料，很難用傳統(tǒng)的蒸鍍制備方法實(shí)現(xiàn)。

以硅為例，它的熔點(diǎn)是 1,414 °C。生產(chǎn)時，就要先升溫超過熔點(diǎn)，獲得單晶硅，再把單晶硅切分成小塊，組裝成電子元件。

這是一種自上而下的生產(chǎn)方式。而且由于需要高溫環(huán)境，非常耗能。常見的 3D 打印，也離不開高溫環(huán)境，通常要加熱到幾百度。

如果換一種生產(chǎn)方式呢？像用墨水打印文字一樣，同樣用液體作為基底，把電子材料的分子打印成需要的結(jié)構(gòu)。這就是溶液打印法，是 “自下而上” 的打印思路。

要做到這一點(diǎn)，就需要對分子進(jìn)行精細(xì)地控制。

這正是刁瑩和她的團(tuán)隊(duì)研究的方向。刁瑩目前是美國伊利諾伊大學(xué)助理教授，她領(lǐng)導(dǎo)的小組研究的方向就是：通過調(diào)控分子組裝過程，利用溶液法來打印電子材料。

流體控制技術(shù)：讓電子流動更高效

溶液打印不是一個新的技術(shù)，“我們做的新的地方在于可以控制到納米甚至分子層面的結(jié)構(gòu)�！睂Ρ绕胀ǖ� 3D 打印，只能控制到微米級別。

“唐代已經(jīng)有印刷術(shù)了。雖然不太像我們現(xiàn)在做的事情，但是基本的道理是一樣的。”刁瑩說。

打印報(bào)紙的時候，需要把墨水打印到想要的地方；打印電子材料，還要考慮到被打印材料里面的結(jié)構(gòu)是怎樣的。

分子層面的溶液打印，就是以有機(jī)溶液為載體，將分子打印成所需要的結(jié)構(gòu)。這種方式，只需要 20 多度的室溫條件。因?yàn)槭且匀芤鹤鳛榇蛴』�底，利用對溶劑的流體控制，也很容易打印柔性材料。

電子材料對于結(jié)構(gòu)的控制要求非常高。進(jìn)入微觀層面，分子的結(jié)構(gòu)、形態(tài)，即使微小的變化，都會對最終的材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，有時甚至是數(shù)量級的改變。

如何精細(xì)地控制分子的結(jié)構(gòu)？這就需要利用分子的自組裝特性。分子會依據(jù)其特性，自發(fā)地從無序變?yōu)橛行�，通過一些方式進(jìn)行引導(dǎo)，就可以讓分子按需排列。

刁瑩實(shí)驗(yàn)室最近的一個發(fā)現(xiàn)，是將原來卷曲的高分子結(jié)構(gòu)拉平，從而實(shí)現(xiàn)更好的光電性能。

共軛聚合物富含電子，單鍵和雙鍵交替，這是讓電能快速傳播的關(guān)鍵，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學(xué)應(yīng)用潛力。但是也存在問題，這些聚合物的形態(tài)通常是扭曲，嚴(yán)重阻礙電荷傳輸。

施加巨大的壓力，或改變共軛聚合物的分子結(jié)構(gòu)，雖然可讓其變得扁平，但這兩種方式都需要密集的勞動力，很難進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。

刁瑩團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在分子打印過程中，受到溶液流動體的引導(dǎo)，共軛聚合物的分子可以在一個特殊階段變成平面形狀，并在溶液沉淀后繼續(xù)保持這一形態(tài)。

發(fā)現(xiàn)了這個機(jī)制后，刁瑩團(tuán)隊(duì)希望能夠進(jìn)一步研究它的普遍性，讓流體控制技術(shù)在溶液打印中更廣泛使用。

創(chuàng)新打印方式：動態(tài)模板

刁瑩獲得過許多榮譽(yù)。她在2016 年被評為《麻省理工科技評論》全球“35 歲以下科技創(chuàng)新的 35 人”（TR35）、2018 年又獲得了斯隆學(xué)者獎。

對她而言，最特殊的一個獎項(xiàng)，是 2018 年獲得的美國國家科學(xué)基金會的職業(yè)生涯獎（NSF CAREER Award）。這個獎的背后，是她一次艱辛的突破，她嘗試了新的研究概念——動態(tài)模板。

她和團(tuán)隊(duì)的伙伴們做了很長時間，最終證明了 “動態(tài)模板” 這一方法在分子溶液打印中的可行性。

刁瑩團(tuán)隊(duì)關(guān)于 “動態(tài)模板” 的論文 發(fā)表在《自然通訊》上

此前，在分子組裝中只有類似于”靜態(tài)模板”的技術(shù)。2014 年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了藍(lán)光 LED 材料的三位研究者，其中一項(xiàng)突破就是采用了這種技術(shù)。

制造藍(lán)光的 LED 材料缺乏單晶體底襯，研究者采用藍(lán)寶石作為底襯，設(shè)計(jì)出高序列的結(jié)構(gòu)，從而控制藍(lán)光 LED 的材料有序生長。

“動態(tài)模板”的概念則受到了自然界生物礦物質(zhì)合成的啟發(fā)。“我們觀察自然，被生物系統(tǒng)的方式所啟發(fā)�！钡蟋撜f。

但是不僅僅如此，這其實(shí)是一次逆向思維的過程。

刁瑩在博士期間的研究方向本是藥物結(jié)晶，但她卻被生物礦物質(zhì)的形成機(jī)制所吸引。自然界的珍珠就是通過動態(tài)模板來實(shí)現(xiàn)離子組裝的。

高分子的動態(tài)模板本身非常無序，但是卻可以引導(dǎo)礦物質(zhì)離子形成有序的結(jié)構(gòu)。原因在于模板和聚集的礦物離子之間會彼此協(xié)同。離子會在模板附近形成凝聚層，動態(tài)模板也會調(diào)整自己，來適應(yīng)離子所需要的結(jié)構(gòu)。

在溶液打印中，刁瑩想尋找到更有效方法來組裝高分子，沿用已有的底襯設(shè)計(jì)思路非常困難。

“高分子結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜，在生物礦物質(zhì)合成的過程中，是高分子來組裝離子，在我們的系統(tǒng)中，需要組裝高分子，（我）就想，能不能用離子來組裝高分子。”

刁瑩團(tuán)隊(duì)的研究最終證明，通過動態(tài)模板技術(shù)，能夠打印出高度取向、高度結(jié)晶的聚合物薄膜。這項(xiàng)控制分子組裝的技術(shù)有廣泛使用的潛力。

靜態(tài)模板與動態(tài)模板

好奇心與冒險(xiǎn)

有機(jī)電子材料，是刁瑩從博士后才開始進(jìn)入的領(lǐng)域。當(dāng)時，她除了想挑戰(zhàn)新的領(lǐng)域，還有一個愿望，就是跟隨鮑哲南這位優(yōu)秀的科學(xué)家進(jìn)行研究。

她回憶，自己花了整整三年才進(jìn)入這個領(lǐng)域。

刁瑩提及在鮑哲南老師身邊的感受，“她不僅是一個非常有成就的科學(xué)家、創(chuàng)新家、還是一個非常好的人”。

她回憶，鮑老師從來不訓(xùn)斥學(xué)生，而是時時想著怎么幫助學(xué)生�！八龝�把學(xué)生的事業(yè)當(dāng)成自己的事業(yè)�！睂�(dǎo)師身上這種可貴品質(zhì)深深觸動了刁瑩。她說，“這一點(diǎn)我非常敬佩她，而且想要和她一樣�！�

刁瑩從 2015 年開始帶領(lǐng)自己的研究小組，官網(wǎng)封面來有自居里夫人的話，“實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家…… 也是一個被置于自然現(xiàn)象之前的孩子，這些自然現(xiàn)象給他 / 她留下的印象就像童話一樣”，“如果我看到我周圍有什么重要的東西，那就是那種似乎堅(jiān)不可摧的、類似于好奇心的冒險(xiǎn)精神�！�

從博士時期的藥物結(jié)晶轉(zhuǎn)向博士后的有機(jī)電子材料，這是她在科研領(lǐng)域的冒險(xiǎn)。具體到科研態(tài)度上，她也覺得 “冒險(xiǎn)精神” 很珍貴。

“不僅是說有一個問題我需要解決，而且需要有好奇心，如果一腦門想去解決問題的話，思維可能會局限在某個具體問題上。如果你有一些冒險(xiǎn)精神，或者科學(xué)的好奇，有時候你會發(fā)現(xiàn)令人驚喜的結(jié)果�！�

交叉學(xué)科的背景，以及科學(xué)上的好奇心，最近又帶來了新的突破。她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一組不成功抗癌藥物的分子，可以被利用作為有機(jī)半導(dǎo)體。“當(dāng)時我在看到分子的時候，突然間想到和有些電子材料比較像，我就想，它會不會是電子材料？”

不同的分子結(jié)晶圖案

制造未來的材料
刁瑩所帶領(lǐng)的研究小組，目標(biāo)是理解基本分子組裝過程，來控制打印材料的特性，最終為醫(yī)療設(shè)備、能源等領(lǐng)域提供節(jié)能高效的材料制造。

她 2016 年獲得 TR35 的研究突破是柔性太陽能電池。通過控制納米層面的結(jié)構(gòu)，加快電荷的分離速率，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率。

2020 年開始，她的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)之前的研究，從更微觀的分子層面來控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率。同時，她們也在研究如何控制分子的自主裝過程，讓打印出來的太陽能電池更加穩(wěn)定。

溶液打印速度快，又適合打印大面積的材料。她想通過自己的努力，讓這一打印方式有更廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)初，她做出選擇，從藥物結(jié)晶領(lǐng)域轉(zhuǎn)到有機(jī)電子材料，就是希望能離可應(yīng)用的技術(shù)近一些，想看到自己的研究對現(xiàn)實(shí)真正產(chǎn)生影響。目前，電子材料的主流制作方法還是蒸鍍。

“蒸鍍的方式其實(shí)是很貴的，像我們買的智能手表，顯示屏是最貴的原件。如果能用溶液打印的方法，可以大幅度降低成本。”