北航AM：一步制备多维取向的图案化纳米线薄膜

对液体的操控是实现很多重要工业生产和生活应用的关键过程，在微电路印刷、生物芯片、薄膜器件和微流控等方面有重要的应用。其中，一维纳米线溶液的可控输运及组装是实现有序的图案化纳米线薄膜的关键。与无序的、散乱分布的纳米线相比，多尺度分级有序的纳米线往往表现出更优异的整体协同性能和特殊的物理化学性质。目前，常用的溶液法制备有序纳米线薄膜的方法存在着一些局限性，如需要复杂的设备、复杂的样品预处理过程、纳米线沉积位置难以精确控制、后处理过程中纳米线重新定向等问题。因此，可控制备多尺度有序的纳米线结构依然是挑战。

日常生活中，人们的头发在润湿后晾干的过程中往往会粘附在一起，这是由于去浸润过程总毛细作用力下纤维阵列发生的弹性聚集现象导致的。在该过程中，纤维阵列顶端的液膜会自发的各向异性收缩，这为纳米线溶液的可控输运及组装提供了新的契机。

近日，北京航空航天大学的刘欢研究员课题组发展了一种简单通用的策略：利用阵列碳纳米管阵列在去浸润过程中的毛细粘弹聚集现象，实现了液膜的方向性收缩，基于此一步制备了多维取向的图案化纳米线薄膜。该方法不需要任何外部力量辅助。其原理是被纳米线溶液润湿的碳纳米管阵列在去浸润过程中，出现毛细弹性聚集现象，使纳米线溶液液膜能够在碳纳米管阵列顶部各向异性收缩，迫使液膜中随机分布的纳米线向着液膜的方向旋转、移动，最终紧密有序地排列在碳纳米管阵列顶部。在碳纳米管阵列聚集的同时，碳纳米管纱线被牵扯出来连接两个相邻的碳纳米管阵列聚集体，最终构筑了由上层X方向上水平有序排列的纳米线，下层Z方向上垂直排列的碳纳米管阵列聚集体和Y方向上连接碳纳米管阵列聚集体的碳纳米管纱线三部分组成的多维度有序的纳米线微图案。这种多维取向的图案化纳米线薄膜表现出良好的压力传感性能，灵敏度为0.32 kpa-1，有望用于构筑电子皮肤。 此外，取向的纳米线可以转移到不同的基底上，且转移位置精确可控，可用于构建微电路。重要的是，这种方法具有很好的普适性，适用于银、氧化锌、氧化铝等不同长径比的纳米线的有序组装，甚至可以对有生命活性的微生物进行多维取向排列，代表了一类新的操控纳米线溶液的方法。相关工作发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201900534）上，北京航空航天大学博士研究生边瑞欣为本文的第一作者。

图文速递

图1. 纤维毛细弹性聚集诱导的基于一维纳米线的多维度有序微图案的制备过程示意图。

图2. 多维取向的图案化纳米线薄膜的扫描电镜图像。X、Y、Z分别代表了上层水平定向排列的纳米线，碳纳米管纱线和下层垂直分布的碳纳米管阵列的方向。（e - l）各种不同长径比的纳米线在阵列碳纳米管膜表面的取向，包括银纳米线、氧化锌纳米线、氧化铝纳米线和微生物。

图3. 制备得到的多维取向的图案化纳米线薄膜的力学传感性能测试。

图4. 阵列碳纳米管表面取向的纳米线可以可控转移到柔性基底，构筑微电路。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900534

来源：高分子科学前沿