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    自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

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      居里夫人
      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      麻省理工学院(MIT)一个研究小组的研究表明,自组装材料嵌段共聚物(block mers)现在可以制成复杂得多的图案,这可能为材料设计开辟新的领域。众所周知,嵌段共聚物可以形成各种可预测的规则图案。这项新发现发表在《自然通讯》(Nature Communications)上,由材料科学与工程教授阿尔弗雷多•亚历山大-卡茨(Alfredo Alexander-Katz)和卡罗琳•罗斯(Caroline Ross)等三位教授撰写。

      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      从某种意义上说,这是一个偶然的发现,这种现象允许聚合物以偏离常规对称排列的模式自组装。自组装嵌段共聚物是一种材料,其链状分子最初是无序的,但它们会自发地排列成周期结构。

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      研究人员发现,如果在衬底上产生重复的线条或柱子图案,然后在该表面形成一层嵌段共聚物薄膜,来自衬底的图案将在自组装材料中复制。但这种方法只能产生简单的图形,如点或线的网格,在新方法中,有两种不同、不匹配的模式。

      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      一种是由蚀刻在基材上的一组柱子或线条组成,另一种是由自组装共聚物形成的固有图案。例如,基板上可能有矩形图案和共聚物自身形成的六角形网格。人们可能会认为嵌段共聚物的排列顺序会很差,但这并不是研究小组的发现。相反,它正在形成一种更加出乎意料和复杂的东西。结果发现这是一种微妙而复杂的有序连锁区域,它形成了稍微不同但有规律的模式,与准晶体相似,而准晶体并不完全像普通晶体那样重复出现。

      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      在这种情况下,这些图案确实会重复出现,但距离比普通晶体要长,研究人员利用分子过程在嵌段共聚物材料表面创造出这些图案。这可能为制造具有光学系统或“等离子体器件”定制特性的新方法打开了大门。在“等离子体器件”中,电磁辐射以精确调谐的方式与电子共振。这种装置需要非常精确的定位和纳米尺度图案的对称性,这是这种新方法可以实现的。研究小组准备了许多这种嵌段共聚物样品,并在扫描电子显微镜下进行了研究。

      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      由此产生的奇怪图案是“聚合物想要形成的图案和模板之间受挫的结果,这种挫折感导致了原有对称性的破坏,并在其中创建了具有不同对称性的新子区域,这是大自然提出的解决方案。为了适应这两种模式之间的关系,第三件事打破了这两种模式,研究人员将这种新模式描述为“超晶格”创建了这些新的结构之后,团队继续开发模型来解释这个过程,建模工作表明,这些涌现模式实际上在热力学上是稳定的,并揭示了新模式形成的条件。

      自组装材料,能制成复杂图案,可为材料设计开辟新领域

      从热力学的角度完全理解这个系统,而自组装过程能创造精细的图案,并获得一些新的对称,否则很难制造出来。这消除了光学和等离子体材料设计中存在的一些限制,从而为材料设计“开辟了一条新的道路”。到目前为止,研究小组所做的工作仅限于二维曲面,但他们希望将这一过程扩展到三维曲面。三维制造将改变游戏规则,目前用于微设备的制造技术一次只能制造一层,但“如果你能一次性用3d技术制造出整个物体”,这可能会大大提高制作效率。

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