捕捉泡影

圖1 氣泡示意圖（圖片來自於網路）

“一切有為法，如夢幻泡影，如露亦如電，應作如是觀。”一提到氣泡或者說泡沫往往會給人一種虛幻、不穩定的印象。簡單來說，氣泡的不穩定性主要是因為氣泡太薄了。如上圖所示，氣泡一般是由分佈在氣液介面上的表面活性分子和夾在分子之間的薄液膜構成的，液膜的厚度可以從幾個奈米到數百奈米不等。其實氣泡厚度很薄這一點是一把雙刃劍。一方面，“薄”導致了人們一般印象中的氣泡“易碎”的觀點；而另一方面，在需要高精度加工的領域，薄反而又是一種難能可貴的優勢。

目前，如何在百奈米以內的尺度對各種材料進行加工組裝並實現圖案化，仍然是科研上的一個難題。那麼，科研人員就想到，我們可以把需要組裝的分子放到氣泡的薄液膜中，從而實現高精度的材料製備。但是想利用氣泡來實現圖案製備還要面臨另一個問題，就是很多氣泡聚集形成泡沫的時候，氣泡之間會有大氣泡對小氣泡的弱肉強食吞併現象（也叫做奧斯特瓦爾德熟化，廣泛存在於各種非均勻體系中），會嚴重影響最後形成的圖案密度和形狀。

圖2（a, b, c）二維氣泡均勻演化的示意圖. （d, e, f）二維氣泡均勻演化的顯微鏡照片. （g）溶液中用到的TPPS分子和SDS（十二烷基硫酸鈉）的分子模型. （h）TPPS形成的固體網格的光學顯微鏡照片.

依據利用氣泡之間的薄液膜來限制分子組裝的想法，中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室宋延林課題組提出了一種利用氣泡組裝分子的可行策略，並且成功地利用二維氣泡組裝了TPPS（一種水溶性卟啉衍生物）分子，實現了在百奈米精度之內的圖案化組裝。研究人員首先是利用二維的矽柱微陣列，透過構建三明治夾層結構，來抑制泡沫中氣泡之間的相互吞併，從而能夠拿到在二維尺度上的均勻氣泡。

整個氣泡輔助的組裝過程可以分為兩個階段：首先是泡沫產生與演化；之後是溶液的乾燥與物質組裝沉積過程。泡沫的產生與演化階段，研究人員利用一個快速的產生氣體的反應（硼氫化鈉與鹽酸）來產生所需的氣體，由於表面活性劑SDS的加入，會迅速在矽柱模版中構建起而二維氣泡陣列，由於矽柱的尺寸限制，使得氣泡不會過分長大，最終能夠拿到完全均勻的氣泡陣列，從氣泡開始產生到完全均勻，大概需要5到10分鐘。在氣泡完全均勻之後，隨著整個體系的蒸發乾燥過程的進行，溶液中的TPPS分子開始進行自組裝，由於存在高精度的氣泡薄液膜的限制，使得其不會過度堆積，最終能實現100nm之內的較高精度的沉積圖案。這一過程持續時間較長，一般需要數個小時才能完成。

圖3 （a）氣泡組裝網格的偏光顯微鏡照片 （b）偏光強度變化圖 （c-f）不同形狀的氣泡組裝圖案

該工作為奈米尺度分子的高進度圖案製備提供了一種新方法，並且仍有望向實現更高的圖案精度。

來源：中國科學院化學研究所