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亚利桑那州立大学、北京工业大学王超、赵治教授团队:基于高分子辅助光化学沉积的室温金属光学打印
2020-03-28  来源:高分子科技

  光学3D打印作为一种新兴的增材制造大发排列3具有打印速度快、反应条件温和、适于跨尺度制造等优点。然而,现阶段光学3D打印在加工金属材料时仍具有很大的局限性。在以往研究中,光学打印只能制备金属纳米颗粒,再通过颗粒间的物理结合、团聚形成产物,无法生产体状的连续金属材料。用这种方法加工的器件往往具有较高密度的微观缺陷,导致其光学、电学及力学性能均与一般意义上的金属有很大差异。因此,发展连续金属的打印大发排列3具有高度的科学研究及实际应用意义。

  在以往研究中,该研究团队发现在特定高分子存在的条件下,金属盐溶液的光化学还原反应可以生成具备分型结构的纳米及微米颗粒。这些颗粒的产生是由于高分子通过与金属离子或金属纳米晶粒配合,影响其周边的化学微环境,从而控制金属生长而实现的(图1)。


图1. 高分子控制下的金属生长。(A)原理示意图;(B)TEM下的金属生长实例。


  在这一基础上,该团队通过深入优化反应体系开发了可以直接应用于光学3D打印连续金属材料的前体溶液。这一溶液含有金属离子、小分子还原剂及高分子反应物。在光照下,金属离子首先在小分子还原剂作用下生成金属纳米颗粒。随后这些纳米颗粒在高分子作用下团聚并生长交联,最终形成连续的金属体状材料(图2A-B)。该方法被命名为高分子辅助光化学沉积(PPD)。这种金属的打印模式具有普适性,即只要能够合理选择体系中的反应物,使化学反应间高效耦联,就可以开发相应的金属前体溶液。在文章中作者展示了银、金、铂的室温打印,这对未来其他金属打印工艺的开发具有很高的借鉴意义(图2C)。


图2. 利用高分子辅助光化学沉积大发排列3打印连续金属材料。(A)反应原理示意图;(B)AFM下观察到的金属纳米颗粒融合过程;(C)多金属打印。


  与其他金属加工大发排列3相比,PPD大发排列3具有一些显著优势。首先,反应体系中的高分子可以稳定细小的纳米晶粒,使金属的生长过程更接近原子堆积,从而有效提高产物的致密度与平滑度。例如,可以用PPD制备6 nm左右的金属薄膜并仍然保持很好的平滑度。而用蒸镀的方法制备的类似薄膜则具有很强的颗粒感(图3A)。其次,PPD的温和液相反应条件具有广泛的基底适应性,体系中的高分子对大多材料也都具有一定的亲和性,能在多种表面上直接打印金属,甚至包括含水量达99%的水凝胶(图3B)。同时,还可利用PPD一步制备微电极阵列或三维金属结构,应用十分广泛(图3C)。最后,PPD所制备的金属结构具有与理论计算相当的反光性与导电性,远远超过其他金属打印方法所得到的产物。这使其在光学、电学器件领域具有广阔的应用前景,如可利用PPD在弹性基底表面打印金属制备柔性电极等(图3D)。


图3. PPD大发排列3的优势与应用。(A)制备超薄金属膜的能力;(B)广泛的基底适应性;(C)加工微电极与3D结构;(D)大发排列3良好的光学、电学特性。


  以上相关成果分别发表在Materials Today (Mater. Today 2020, DOI: 10.1016/j.mattod.2020.03.001) 和Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 2019, 7, 6099-6104)上。论文的第一兼通讯作者为赵治博士,目前在北京工业大学担任校聘教授。共同通讯作者为美国亚利桑那州立大学电子工程系教授王超博士


  论文链接:

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702120300742?via%3Dihub

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c9tc01473j#!divAbstract

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