資料來源:Advanced Materials(2024)

納米材料向我們展示了驚人的化學和物理特性，有助于將單分子傳感和微創光熱療法等曾經只是理論的應用變爲現實。

納米顆粒的獨特能力使它們在研究和工業用途上的廣泛應用都是有利可圖的材料。然而，由于缺乏對設備制造至關重要的單層納米顆粒的快速和均勻轉移技術，實現後者變得困難。

解決這一難題的一種可能的方法是采用靜電組裝工藝，納米粒子將自身附著在相反的帶電表面上，一旦形成單層，納米粒子就會通過排斥其他類似帶電的納米粒子遠離表面來自我限制進一步的組裝。不幸的是，這個過程可能非常耗時。

雖然人工方法與這些缺點作鬥爭，但在自然界中發現的水下粘附過程已經演變成克服這一問題的獨特策略。

在這方面，光州科學技術大學的博士生金道恩(第一作者)和鄭賢鎬(通訊作者)帶領的研究小組開發出了“贻貝啓發”的單次納米顆粒組裝技術，該技術可以在10秒內將微觀體積的材料從水中輸送到2英寸的晶圓上，同時實現了表面覆蓋率約爲40%的二維單層組裝。

他們的研究成果發表在《先進材料》雜志上，並作爲卷首作品被突出。

“我們克服現有挑戰的關鍵方法來自于對贻貝如何逆水到達目標表面的觀察。我們看到贻貝同時輻射氨基酸來解離表面的水分子，使化學粘合劑能夠迅速附著在目標表面，”Kim女士解釋說，談到獨特的自然啓發方法背後的動機。

“我們意識到一個類似的情況，我們引入多余的質子來去除目標表面的羟基，從而增加納米顆粒和表面之間的靜電吸引力，加速組裝過程。”

在質子動力學的驅動下，研究人員設計了目標表面和納米顆粒的靜電表面電位。這使得納米顆粒在幾秒鍾內均勻地附著在目標表面上。

爲了測試將質子工程引入靜電組裝過程的有效性，該團隊將單層組裝時間與傳統技術進行了比較。結果表明，新技術的塗層速度比以往報道的方法快100 ~ 1000倍。納米粒子的加速擴散和組裝背後的原因與質子去除目標區域上不需要的羟基的能力有關。

研究人員進一步發現，潛在過程的電荷敏感特性使單層薄膜的確定性“愈合”和在晶圓尺度上的“拾取和放置”納米圖案成爲可能。此外，該技術還允許通過等離子體結構制造晶圓級全彩反射超表面，從而爲生産全彩繪畫和光加密設備開辟了新的途徑。

這種受自然啓發的新概念驗證是朝著廣泛接受功能納米材料單層材料邁出的重要一步。

“我們設想這項研究將加速功能納米材料對我們生活的影響，推進單層薄膜的大規模生産，從而促進廣泛的應用，從光子和電子設備到用于能源和環境應用的新型功能材料，”鄭教授總結道。