微納制造技術(shù)自出現(xiàn)以來已經(jīng)為眾多的重要領(lǐng)域帶來巨大突破，它對推動國家工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展具有重大意義。但傳統(tǒng)的微納制造方法高度依賴于昂貴復(fù)雜的精密設(shè)備，存在加工速度慢、制備面積小、成本高等問題。近年來，各種膠體材料被開發(fā)出來，如果能通過膠體自組裝精確地誘導(dǎo)這些膠體微納米顆粒自發(fā)形成特定的結(jié)構(gòu)，將有助于大幅提高效率、降低成本，推動微納制造的發(fā)展。

膠體顆粒按一定的順序和周期可組裝成“膠體晶體”，由于膠體顆粒的特定排布、微納米尺寸及材料特性等，出現(xiàn)了許多獨特、有趣的性能，為大量應(yīng)用帶來了各種機會。例如微納米顆粒的大小及周期位于光波尺寸，能夠影響電磁波傳播，產(chǎn)生光子禁帶等，因此有望為光子晶體、結(jié)構(gòu)色、結(jié)構(gòu)色傳感器等領(lǐng)域帶來突破；微納米顆粒單層自組裝結(jié)構(gòu)能夠替代傳統(tǒng)掩膜板，與光刻、離子刻蝕、化學(xué)刻蝕等結(jié)合，從而形成納米孔、納米柱、納米花等各種衍生結(jié)構(gòu)；微納米顆粒本征單元尺度使得各種高精度/高分辨率微圖案制造變得更加容易，為微電子/傳感，防偽加密等領(lǐng)域帶來有前途的機會。然而，目前學(xué)術(shù)研究中的膠體自組裝大多速度慢、尺寸小，無法適用于真正的工業(yè)化過程。

《先進功能材料》封面圖片

清華大學(xué)機械系汪家道教授課題組在研究中將張力梯度創(chuàng)新性引入到液氣界面自組裝中，提出了獨特的張力梯度誘導(dǎo)納米顆粒液氣界面快速大面積自組裝方法。在該研究中，首先建立了基于表面張力與納米顆粒表面疏水改性的液氣界面納米顆粒松散懸浮構(gòu)造方法及設(shè)計準則。進一步利用負載表面活性劑的凝膠構(gòu)建液氣界面張力梯度，誘發(fā)界面對流，打破納米顆粒間的靜電排斥能量壁壘，快速形成密排有序的大面積膠體晶體自組裝結(jié)構(gòu)。實驗顯示了液氣界面橫向毛細力能夠誘導(dǎo)自組裝但同時會損害自組裝有序性的“雙刃劍”作用，提出并證明了基于張力梯度抑制界面毛細團聚作用和提升液氣界面自組裝質(zhì)量的有效性，實現(xiàn)了不同尺寸（從400納米至8微米）、不同形狀（球形、花簇狀、核殼結(jié)構(gòu)等）微納米顆粒自組裝薄膜在各種基底表面的可控制備。研究基于張力梯度自組裝的靈活可持續(xù)構(gòu)建優(yōu)勢，一定程度上解決了納米顆粒在曲面上的高質(zhì)量自組裝制造難題。研究實現(xiàn)了超1000cm2自組裝結(jié)構(gòu)在幾秒時間內(nèi)的超快制備，制造面積和速度相比傳統(tǒng)方法提升兩個數(shù)量級以上，在一定程度上有效解決了大尺寸自組裝結(jié)構(gòu)工業(yè)化難題。

微納米顆粒有序大面積自組裝結(jié)果

受啟發(fā)于傳統(tǒng)油墨印刷，課題組進一步提出了基于納米顆粒自組裝轉(zhuǎn)移印刷的膠體晶體微圖案制備方法，實驗揭示了納米顆粒黏、脫附轉(zhuǎn)移機理，實現(xiàn)了單納米顆粒精度的微圖案制備，同時繼承保留了油墨印刷批量化快速制造的優(yōu)勢。進一步結(jié)合導(dǎo)電膠體材料，證明了它在柔性微電子大尺寸制造等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。這種高效的納米顆粒大面積自組裝-微圖案化制造策略為光子晶體、微結(jié)構(gòu)/圖案制造、柔性微電子等眾多領(lǐng)域提供了新思路，為學(xué)術(shù)和實際工業(yè)應(yīng)用提供了廣闊的機會。

基于納米顆粒自組裝-轉(zhuǎn)移印刷的微圖案制造策略

近日，相關(guān)成果以“基于膠體自組裝及轉(zhuǎn)移印刷的大面積膠體晶體微圖案超快制造”（?Ultrafast Fabrication of Large-Area Colloidal Crystal Micropatterns via Self-Assembly and Transfer Printing）為題發(fā)表在《先進功能材料》（?Advanced Functional Materials）上，并被選為封面文章（Cover）。

清華大學(xué)機械系2018級博士生李軒為論文第一作者，汪家道教授為論文通訊作者，機械系助理研究員陳磊、馬原、翁鼎，機械系2020級博士李兆昕、2022級博士宋樂樂、2020級博士張軒鶴、2022級博士余郭煦等在該研究中作出貢獻。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目等的經(jīng)費支持。

供稿：清華大學(xué)