麻省理工學(xué)院(MIT)一個(gè)研究小組的研究表明，自組裝材料嵌段共聚物(block mers)現(xiàn)在可以制成復(fù)雜得多的圖案，這可能為材料設(shè)計(jì)開辟新的領(lǐng)域。

眾所周知，嵌段共聚物可以形成各種可預(yù)測的規(guī)則圖案。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上，由材料科學(xué)與工程教授阿爾弗雷多?亞歷山大-卡茨(Alfredo Alexander-Katz)和卡羅琳?羅斯(Caroline Ross)等三位教授撰寫。

從某種意義上說，這是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象允許聚合物以偏離常規(guī)對(duì)稱排列的模式自組裝。自組裝嵌段共聚物是一種材料，其鏈狀分子最初是無序的，但它們會(huì)自發(fā)地排列成周期結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果在襯底上產(chǎn)生重復(fù)的線條或柱子圖案，然后在該表面形成一層嵌段共聚物薄膜，來自襯底的圖案將在自組裝材料中復(fù)制。但這種方法只能產(chǎn)生簡單的圖形，如點(diǎn)或線的網(wǎng)格，在新方法中，有兩種不同、不匹配的模式。

一種是由蝕刻在基材上的一組柱子或線條組成，另一種是由自組裝共聚物形成的固有圖案。例如，基板上可能有矩形圖案和共聚物自身形成的六角形網(wǎng)格。人們可能會(huì)認(rèn)為嵌段共聚物的排列順序會(huì)很差，但這并不是研究小組的發(fā)現(xiàn)。相反，它正在形成一種更加出乎意料和復(fù)雜的東西。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這是一種微妙而復(fù)雜的有序連鎖區(qū)域，它形成了稍微不同但有規(guī)律的模式，與準(zhǔn)晶體相似，而準(zhǔn)晶體并不完全像普通晶體那樣重復(fù)出現(xiàn)。

在這種情況下，這些圖案確實(shí)會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，但距離比普通晶體要長，研究人員利用分子過程在嵌段共聚物材料表面創(chuàng)造出這些圖案。這可能為制造具有光學(xué)系統(tǒng)或“等離子體器件”定制特性的新方法打開了大門。在“等離子體器件”中，電磁輻射以精確調(diào)諧的方式與電子共振。這種裝置需要非常精確的定位和納米尺度圖案的對(duì)稱性，這是這種新方法可以實(shí)現(xiàn)的。研究小組準(zhǔn)備了許多這種嵌段共聚物樣品，并在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行了研究。

由此產(chǎn)生的奇怪圖案是“聚合物想要形成的圖案和模板之間受挫的結(jié)果，這種挫折感導(dǎo)致了原有對(duì)稱性的破壞，并在其中創(chuàng)建了具有不同對(duì)稱性的新子區(qū)域，這是大自然提出的解決方案。為了適應(yīng)這兩種模式之間的關(guān)系，第三件事打破了這兩種模式，研究人員將這種新模式描述為“超晶格”創(chuàng)建了這些新的結(jié)構(gòu)之后，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開發(fā)模型來解釋這個(gè)過程，建模工作表明，這些涌現(xiàn)模式實(shí)際上在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，并揭示了新模式形成的條件。

從熱力學(xué)的角度完全理解這個(gè)系統(tǒng)，而自組裝過程能創(chuàng)造精細(xì)的圖案，并獲得一些新的對(duì)稱，否則很難制造出來。這消除了光學(xué)和等離子體材料設(shè)計(jì)中存在的一些限制，從而為材料設(shè)計(jì)“開辟了一條新的道路”。到目前為止，研究小組所做的工作僅限于二維曲面，但他們希望將這一過程擴(kuò)展到三維曲面。三維制造將改變游戲規(guī)則，目前用于微設(shè)備的制造技術(shù)一次只能制造一層，但“如果你能一次性用3d技術(shù)制造出整個(gè)物體”，這可能會(huì)大大提高制作效率。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10896-5

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