Adv. Mater.: 微結構表面厚度均勻、可控的共形納米涂層的構筑

【引言】

材料的表面性質對其功能與應用有著關鍵影響，利用納米顆粒分散液在表面構筑功能涂層是改變材料表面性質、提高使用性能的常用方法。在平整基底上構筑厚度均勻可控的納米功能涂層已實現規模化制備，對于具有微結構的菲涅爾透鏡等基底，由于重力、表面張力、毛細力等因素，導致使用常規方法難以得到共形、厚度均勻可控的納米顆粒涂層。

【成果簡介】

近日，中科院化學所徐堅研究員、趙寧研究員和天津工業大學陳莉教授(共同通訊作者)、趙義平教授、蘇州納米所馬宏偉研究員等人在Adv. Mater.發表了題為“Conformal Nanocoatings with Uniform and Controllable Thickness on Microstructured Surfaces: A General Assembly Route”的研究論文，發展了一種普適的組裝策略，攻克在微結構表面簡便制備共形納米功能涂層的難題。研究表明，采用帶電納米顆粒和帶異性電荷可反應小分子，通過兩者的靜電和化學鍵作用，結合不同界面間的電位差，可以在各種形貌和尺度的微結構上形成共形、均勻、厚度隨組裝時間可控的納米涂層。應用該方法在微結構光學表面制備的減反射膜可使可見光平均透過率提高2.6%(單面涂敷)。這種易于工程化的方法為聚光太陽能、激光顯示等納米功能涂層的規模制備應用奠定了技術基礎 。

【圖文導讀】

圖1 共形納米涂層制備示意圖

(a)微結構表面厚度均勻且可控的共形納米涂層的制備示意圖；

(b)3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面的XPS能譜；

(c)APTES溶液添加量分別為10、30和50μL時， SiO₂納米顆粒(NPs)和APTES混合分散液的平均粒徑和zeta電位隨時間的變化。

圖2 耗散石英晶體微天平(QCM-D)表征

(a-c)分別為(a) SiO₂ NPs和APTES混合分散液，(b)在帶正電芯片上的SiO₂ NPs分散液和(c)在原始芯片上的混合分散液的QCM-D結果。(a’-c’)分別為(a-c)對應的組裝過程的示意圖；

(d)芯片表面和NPs的zeta電位隨組裝時間的變化；

(e)帶正電芯片表面交替使用SiO₂ NPs分散液和APTES溶液的QCM-D結果；

(f)不同APTES添加量的混合分散液中，納米涂層厚度隨組裝時間的變化；

(g-l)為(a-c)不同階段納米涂層的SEM圖。

圖3 不同微結構表面及被涂覆表面的SEM圖

(a, d, g)分別為原始的(a)PET，(d)Si晶圓和(g)蟬翅的SEM圖。插圖為相應的截面SEM圖；

(b, c, e, f, h, i)分別為對應微結構涂覆后的俯視和截面SEM圖。

圖4 透過率的改變

(a-b)分別為(a)PET基體和(b)菲涅爾透鏡的透過率隨其在APTES和SiO₂ NPs分散液中改性時間的變化。

【小結】

本文以APTES和SiO₂納米顆粒為構筑單元，成功開發了一種在微結構表面簡便制備共形納米功能涂層的普適方法。通過靜電相互作用和縮合反應，活性的、帶相反電荷的構筑單元可以在微結構表面均勻地層層組裝，獲得均勻的納米涂層；涂層的厚度可以通過組裝時間控制。該方法為在不同微結構基體上簡便制備大面積納米功能涂層奠定了技術基礎。

【研究團隊簡介】

徐堅研究員

中國科學院化學研究所趙寧、徐堅博士領導的研究團隊在“十一五”國家863科技計劃支持下，深入研究了在玻璃平整基底上筑出厚度均勻可控納米功能涂層材料，在光伏玻璃上開發出可見光透過率>94.0%、耐磨性和持久性優異(鉛筆硬度5H，密著性>4B) 的納米減反射膜制備專利技術，與光伏玻璃企業緊密合作，全球率先開發出基于輥涂工藝路線的納米減反射膜新技術及年產240萬平方米工業裝備，相比于當時國際公司的刻蝕、提拉、噴涂等技術，該技術簡便高效和生產成本低廉，太陽能組件輸出功率提高2.4%，累計發電量提高4.7%。產品通過了國際SGS認證，企業成功實現產品規模銷售。所開發輥涂技術路線現已成為目前光伏電池用減反射玻璃的全球通用技術，廣泛應用于光伏電池制造產業，僅中國每年就可多發電3.6GW(總裝機77.4GW)，成為具備光學透明納米效應的納米材料規模應用的典型示范之一。

與已實現規模化制備的平整基底上構筑厚度均勻可控納米功能涂層相比，對具有立體微結構的菲涅爾透鏡等基底，在重力、表面張力、毛細力等因素影響下，應用常規方法無法在具有立體微結構表面上，制備出像平面基底上一樣厚度均勻的納米涂層。該研究團隊巧妙地應用帶電納米顆粒和帶異性電荷可反應小分子，結合不同界面間的電位差，借助于兩者靜電作用和化學鍵合，實現了在各種形貌和尺度的三維立體微結構上、形成共形、均勻、厚度可控的納米涂層。這種易于工程化的方法為聚光太陽能、激光顯示、特種光學裝備等領域的納米功能涂層規模制備和應用奠定了技術基礎。

該研究團隊專注于仿生高分子構筑、智能響應及其特異性質、高性能樹脂和高性能纖維構效關系、高分子表界面材料工程化等基礎和應用基礎研究，并在產學研緊密結合上做出了一系列成效，與時代沃頓合作研發的低壓海水反滲透膜產業規模國內排名第一、國際排名第四；向臺灣長興化工材料技術轉移并合作開發的PSQ有機硅微球產量位列全球前茅。

原文鏈接:?化學所在微結構表面構筑共形功能涂層方面取得重要進展

文獻鏈接: Conformal Nanocoatings with Uniform and Controllable Thickness on Microstructured Surfaces: A General Assembly Route?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201704131)

感謝徐堅研究員對本文的斧正和對材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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