太阳能电池可以是一片透明的薄膜。
图 | 透明柔性太阳能电池示例
这种柔软的太阳能电池,可以装在车窗或者房屋的玻璃上。在炎热的夏天,既能吸收红外光,降低内部空间温度,同时又可以发电。 不过这种柔性电子材料,很难用传统的蒸镀制备方法实现。 以硅为例,它的熔点是 1,414 °C。生产时,就要先升温超过熔点,获得单晶硅,再把单晶硅切分成小块,组装成电子元件。
这是一种自上而下的生产方式。而且由于需要高温环境,非常耗能。常见的 3D 打印,也离不开高温环境,通常要加热到几百度。 如果换一种生产方式呢?像用墨水打印文字一样,同样用液体作为基底,把电子材料的分子打印成需要的结构。这就是溶液打印法,是 “自下而上” 的打印思路。 要做到这一点,就需要对分子进行精细地控制。 这正是刁莹和她的团队研究的方向。刁莹目前是美国伊利诺伊大学助理教授,她领导的小组研究的方向就是:通过调控分子组装过程,利用溶液法来打印电子材料。
流体控制技术:让电子流动更高效
溶液打印不是一个新的技术,“我们做的新的地方在于可以控制到纳米甚至分子层面的结构。”对比普通的 3D 打印,只能控制到微米级别。
“唐代已经有印刷术了。虽然不太像我们现在做的事情,但是基本的道理是一样的。”刁莹告诉 Deeptech。 打印报纸的时候,需要把墨水打印到想要的地方;打印电子材料,还要考虑到被打印材料里面的结构是怎样的。 分子层面的溶液打印,就是以有机溶液为载体,将分子打印成所需要的结构。这种方式,只需要 20 多度的室温条件。因为是以溶液作为打印基底,利用对溶剂的流体控制,也很容易打印柔性材料。 电子材料对于结构的控制要求非常高。进入微观层面,分子的结构、形态,即使微小的变化,都会对最终的材料性质产生影响,有时甚至是数量级的改变。 如何精细地控制分子的结构?这就需要利用分子的自组装特性。分子会依据其特性,自发地从无序变为有序,通过一些方式进行引导,就可以让分子按需排列。
刁莹实验室最近的一个发现,是将原来卷曲的高分子结构拉平,从而实现更好的光电性能。
共轭聚合物富含电子,单键和双键交替,这是让电能快速传播的关键,因此共轭聚合物具有很大的电气光学应用潜力。但是也存在问题,这些聚合物的形态通常是扭曲,严重阻碍电荷传输。 施加巨大的压力,或改变共轭聚合物的分子结构,虽然可让其变得扁平,但这两种方式都需要密集的劳动力,很难进行大规模量产。
刁莹团队发现,在分子打印过程中,受到溶液流动体的引导,共轭聚合物的分子可以在一个特殊阶段变成平面形状,并在溶液沉淀后继续保持这一形态。 发现了这个机制后,刁莹团队希望能够进一步研究它的普遍性,让流体控制技术在溶液打印中更广泛使用。 创新打印方式:动态模板 刁莹获得过许多荣誉。她在2016 年被评为《麻省理工科技评论》全球“35 岁以下科技创新的 35 人”(TR35)、2018 年又获得了斯隆学者奖。 对她而言,最特殊的一个奖项,是 2018 年获得的美国国家科学基金会的职业生涯奖(NSF CAREER Award)。这个奖的背后,是她一次艰辛的突破,她尝试了新的研究概念——动态模板。 她和团队的伙伴们做了很长时间,最终证明了 “动态模板” 这一方法在分子溶液打印中的可行性。
图 | 刁莹团队关于 “动态模板” 的论文 发表在《自然通讯》上(来源:Nature Communication)
此前,在分子组装中只有类似于”静态模板”的技术。2014 年的诺贝尔物理学奖颁给了蓝光 LED 材料的三位研究者,其中一项突破就是采用了这种技术。 制造蓝光的 LED 材料缺乏单晶体底衬,研究者采用蓝宝石作为底衬,设计出高序列的结构,从而控制蓝光 LED 的材料有序生长。
“动态模板”的概念则受到了自然界生物矿物质合成的启发。“我们观察自然,被生物系统的方式所启发。”刁莹告诉 Deeptech。 但是不仅仅如此,这其实是一次逆向思维的过程。 刁莹在博士期间的研究方向本是药物结晶,但她却被生物矿物质的形成机制所吸引。自然界的珍珠就是通过动态模板来实现离子组装的。 高分子的动态模板本身非常无序,但是却可以引导矿物质离子形成有序的结构。原因在于模板和聚集的矿物离子之间会彼此协同。离子会在模板附近形成凝聚层,动态模板也会调整自己,来适应离子所需要的结构。
在溶液打印中,刁莹想寻找到更有效方法来组装高分子,沿用已有的底衬设计思路非常困难。 “高分子结构本身非常复杂,在生物矿物质合成的过程中,是高分子来组装离子,在我们的系统中,需要组装高分子,(我)就想,能不能用离子来组装高分子。” 刁莹团队的研究最终证明,通过动态模板技术,能够打印出高度取向、高度结晶的聚合物薄膜。这项控制分子组装的技术有广泛使用的潜力。
图 | 静态模板与动态模板(来源:受访者) 好奇心与冒险
有机电子材料,是刁莹从博士后才开始进入的领域。当时,她除了想挑战新的领域,还有一个愿望,就是跟随鲍哲南这位优秀的科学家进行研究。 她回忆,自己花了整整三年才进入这个领域。 刁莹提及在鲍哲南老师身边的感受,“她不仅是一个非常有成就的科学家、创新家、还是一个非常好的人”。 她回忆,鲍老师从来不训斥学生,而是时时想着怎么帮助学生。“她会把学生的事业当成自己的事业。”导师身上这种可贵品质深深触动了刁莹。她说,“这一点我非常敬佩她,而且想要和她一样。” 刁莹从 2015 年开始带领自己的研究小组,官网封面来有自居里夫人的话,“实验室里的科学家…… 也是一个被置于自然现象之前的孩子,这些自然现象给他 / 她留下的印象就像童话一样”,“如果我看到我周围有什么重要的东西,那就是那种似乎坚不可摧的、类似于好奇心的冒险精神。” 从博士时期的药物结晶转向博士后的有机电子材料,这是她在科研领域的冒险。具体到科研态度上,她也觉得 “冒险精神” 很珍贵。 “不仅是说有一个问题我需要解决,而且需要有好奇心,如果一脑门想去解决问题的话,思维可能会局限在某个具体问题上。如果你有一些冒险精神,或者科学的好奇,有时候你会发现令人惊喜的结果。” 交叉学科的背景,以及科学上的好奇心,最近又带来了新的突破。她的团队发现一组不成功抗癌药物的分子,可以被利用作为有机半导体。“当时我在看到分子的时候,突然间想到和有些电子材料比较像,我就想,它会不会是电子材料?”
图 | 不同的分子结晶图案(来源:刁莹研究团队官网)
制造未来的材料
刁莹所带领的研究小组,目标是理解基本分子组装过程,来控制打印材料的特性,最终为医疗设备、能源等领域提供节能高效的材料制造。 她 2016 年获得 TR35 的研究突破是柔性太阳能电池。通过控制纳米层面的结构,加快电荷的分离速率,从而提高光电转化效率。 2020 年开始,她的团队继续之前的研究,从更微观的分子层面来控制结构,进一步提高光电转化效率。同时,她们也在研究如何控制分子的自主装过程,让打印出来的太阳能电池更加稳定。 溶液打印速度快,又适合打印大面积的材料。她想通过自己的努力,让这一打印方式有更广泛的应用。 当初,她做出选择,从药物结晶领域转到有机电子材料,就是希望能离可应用的技术近一些,想看到自己的研究对现实真正产生影响。目前,电子材料的主流制作方法还是蒸镀。 “蒸镀的方式其实是很贵的,像我们买的智能手表,显示屏是最贵的原件。如果能用溶液打印的方法,可以大幅度降低成本。”
原文标题:柔性力量崛起!华人科学家精细调控分子,有望革新柔性电子材料技术
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