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科学家打破泡沫演变“弱肉强食”法则

原标题:科学家打破泡沫演变“弱肉强食”法则

泡沫具有特殊的性能,如高比表面积、可压缩性、声波控制、光学衍射和散射,同时具有固体和液体的力学性质等,其应用涵盖了材料科学、海洋工程、环境科学、生物医药、化学工程、食品生产及微电子学等方面,对人类的生存和发展具有重要的作用。1873年,比利时科学家 Plateau 开创了泡沫物理学。从那之后,人们开始对泡沫世界展开深入的探索。百余年来,泡沫的结构规律和演变过程已经形成了比较成熟的体系,但是对泡沫演变进行调控却一直存在巨大的挑战。最主要的原因就是泡沫世界中存在着一套类似丛林法则的“弱肉强食”现象:大小不同的气泡在奥斯瓦尔德机制的影响下,会呈现出“大的越大,小的越小”的现象。因此,对其结构演化的有效调控成为了泡沫研究领域百余年来的一个难题。

然而,泡沫世界的这一“丛林法则”即将被科学家打破。中科院化学所宋延林课题组发现了一种巧妙的方法,能够对二维泡沫演变模式进行调控,将泡沫世界的“弱肉强食”调控为一种“限富济贫”的新机制,并以此为基础发展出了一种全新概念的纳米印刷术,也为其它类似体系演变的控制提供了新的思路。

课题组研究发现,当固体表面不是平滑的,而是具有微米结构的情况下(图1a),气泡在生长过程中会与这些微米结构发生相互作用从而产生形变,使得气泡的曲率半径不再随体积的增大而持续增大,反而可能出现逐渐减小的情形(图1b)。曲率半径变小意味着气泡的长大能力变弱,即大气泡不再具有吞并小气泡的能力,从而限制了其持续增长,维持了小气泡的长久存在,实现了泡沫体系中“限富济贫”的均一图案化(图1d)。

图1 微结构及其对泡沫演变的调控机制

基于上述机制,通过设计微米结构的几何性质,就可以选择性控制不同区域气泡的表面曲率,从而可以控制泡沫的演变过程及演化方向,实现泡沫的多种图案化(图2)。

图2 改变微结构实现泡沫的二维图案化

在应用方面,研究者们表示,泡沫的控制在多孔材料的制备和性能调控方面具有重要的应用。通过这种调控而形成的图案化的二维气泡能够为高精度组装功能材料提供模版:将功能材料放入溶液中,随着液体的蒸发,这些功能材料(如纳米颗粒、导电聚合物等)就会在气泡边界处进行组装,形成纳米尺度的高精度网格图案,进而实现在透明电极等光电器件中的应用(图3)。

图3 利用图案化的气泡为模板组装功能纳米材料

这种二维泡沫演变的新模式,改变了百年来科学界对于泡沫演化难以操控的局面,实现了以阵列化气泡为模板“印刷”功能材料、制备纳米尺度的高精度图案等功能,是纳米绿色印刷技术在前沿研究领域的一大突破,也为其它类似体系的演变过程控制提供了全新的思路。该研究成果发表在 Nat. Commun.杂志上(Nat.Commun. 2017,8,14110doi: 10.1038/ncomms14110)。

作者系中国科学院化学研究所博士生返回搜狐,查看更多

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