Nano Today綜述報道: 液體橋誘導組裝（LBIA）策略：從小分子到大分子和納米材料的可控一維圖案化

【背景介紹】

由于一維（1D）組件/結構的功能納米材料可以定向地傳輸電子、激子、光子或聲子，所以其在高密度微電路、場效應晶體管和高靈敏度傳感器等領域具有巨大的應用價值。目前，通常使用溶液處理策略來制造一維組裝材料，但是滴鑄、旋涂或噴墨印刷等傳統的溶液工藝難以控制其去潤濕過程。因此，能很好的控制去潤濕的制備策略顯的非常重要。其中，近來報道的利用潤濕性控制來控制固體表面上液體去濕是比較有效的方法，因為親液的固體表面優選擴散液體，而疏液的固體表面排斥液體。通過研究發現，潤濕性控制在微觀尺度上支配液體去濕也是非常有效途徑。當將常規親液的點/條帶引入疏水表面時，可以出現具有幾微米的高度有序的液體橋。由于揮發性溶劑的蒸發，每個液體橋的寬度將逐漸收縮，因而每個液體橋可以用作線性限制間隔以限制內部客體的組裝，從而形成有序1D結構的功能材料。最重要的是微型液體橋的圖案化（位置、方向和密度）是可通過精心設計對親液的/疏液的區域進行調整，從而精確控制1D組件。這種潤濕性控制的液體橋誘導裝配策略可以有效的解決制備1D組件中的控制挑戰。可見，對這種策略的發展進行概述是非常有必要的且有助于推動一維材料的快速發展。

【成果簡介】

最近，華中科技大學的蘇彬教授和中國科學院理化技術研究所的江雷院士（共同通訊作者）等人合作總結發表關于利用液體橋誘導組裝（LBIA）策略控制功能材料的一維圖案化研究進展的綜述。在本綜述中，簡要的回顧了最近利用液體橋誘導組裝（LBLA）策略，從小分子到大分子和納米材料在精確定位1D圖案化方面取得的進展。其中，第一部分介紹了潤濕性主導液體橋陣列產生的基本理論。第二部分則主要討論了目前定制位置的各種方法，以及制備好的一維材料的結構。第三部分展示了可通過LBIA策略組裝的各種功能材料，并提出了指導材料的選擇規則。第四部分則演示了LBIA主導的一維材料的代表性應用，例如熒光傳感器、波導、微電路、場效應晶體管和壓力傳感器。最后，對該方法和應用領域進行了簡短的總結和展望。研究成果以題為“Liquid bridge induced assembly (LBIA) strategy: Controllable one-dimensional patterning from small molecules to macromolecules and nanomaterials”發布在著名期刊Nano Today上。
【圖文解讀】

1、液體橋誘導裝配（LBIA）機制

圖一、超疏液的微柱結構基板形成規則的液體橋接陣列
（a, b）超疏液的微柱結構基板上形成的規則液體破裂時排列成納米線的原理圖(a)和SEM (b)圖像；

（c）一個液體橋內F_c和F_s的示意圖；

（d） F_c和F_s對液體橋的頸半徑(R_n)的依賴關系。

圖二、 液體橋誘導組裝(LBIA)策略中尖端誘導效應和最近的橋接規則的研究
（a）一對微形柱之間尖端到尖端形狀的1D組件示意圖；

（b）F_c和F_s對尖端形狀的微形柱的位置的依賴性；

（c）位置配合比對微柱尖角的依賴性；

（d）水平和垂直納米線形成比率隨尖端距離的變化；

（e）水平和垂直方向上的F_s與尖端距離的比率的變化。

2、可控圖案化和一維組件的結構

2.1、可調圖案

圖三、在定制LBIA過程中定位制備1D組件的動態策略
（a）柔軟且可拉伸的柱狀結構PDMS基板可以通過外力改變柱間隙，產生不同的線圖案。其中，（b, c）一個水平納米線；（d, e）平行納米線；（f, g）人字形的納米線；（h, i）通過在不同方向上拉伸在同一基板上產生的一個45°納米線。

圖四、通過預先設計的微柱圖案按需定位制備1D組件
（a）柱結構基板上的液膜破裂的示意圖，允許形成Z字形線陣列；

（b-g）精確定位（b, c）方形、（d）主軸、（e）齒形、（f）三角形和（g）J形-微柱的圖案的SEM圖像。

2.2、可調結構

圖五、在LBIA過程中調整制備好的1D組件結構的方法
通過LBIA工藝獲得的（a）光滑、（c）粗糙、（e）珠狀、（g）1D二元超結構和（i）同軸結構的示意圖。（b）、（d）、（f）、（h）分別是（a）、（c）、（e）、（g）的對應SEM圖像。（j）是（i）的對應TEM圖像。

3、不同種類材料的1D組件

3.1、小分子、大分子和2D 納米材料

圖六、通過LBIA策略將多種不同材料組裝成一維組件

3.2、0 D納米材料

圖七、原位透射電鏡觀察蒸發水條紋內部收縮空間驅動的一維NPs組裝的形成
（a, b）實驗裝置的示意圖；

（c）水蒸發后NPs 1D組裝的過程的系列原位TEM圖像；

（d）分別根據（c）的橫截面部分的示意圖。

圖八、通過LBIA策略調整NP 1D組件的寬度
GNP 1D組件的TEM圖像，通過降低GNP / PVA的比值可以調其寬度為（a）6-8、（b）4-6、（c）4、（d）2至（e）單粒度。

4、LBIA主導調控的一維材料的應用

圖九、擴展LBIA策略以滿足材料應用的不同要求
（a, b）在疏液的基質上引入親液的結構域的印刷技術示意圖；

（c, d）用于處理油溶性功能材料的超疏油的柱結構模板；

（e, f）三明治夾層系統允許將1D組件直接生長定位在所需的頂部基板上。

圖十、LBIA策略制備的一維組件的典型光學應用
（a）聶耳紅和鈣黃綠素的分子式、（e）GNP的TEM圖像和（i）Fe3O4納米顆粒的示意圖；（b）、（f）、（j）分別是LBIA過程后的（a）、（e）、（i）的一維組件；（c）、（g）、（k）是器件集成或器件測試系統的示意圖；（d）、（h）、（l, m）分別是設備性能。

4.1、電子產品

圖十一、LBIA策略制備的一維組件的典型電氣應用
（a）SNP的TEM圖像、（e）DTT-DPP和（i）6,13-雙（三異丙基甲硅烷基乙炔基）并五苯（TIPS-并五苯）的分子式；（b）、（f）、（j）分別是LBIA過程后的（a）、（e）、（i）的一維組件；（c）、（g）、（k）是器件集成或器件測試系統的示意圖；（d）、（h）、（l）分別是設備性能。

4.2、磁探測器

圖十二、基于磁性NPs的1D組件的各向異性特性來制造磁性檢測器
（a）氧化鐵納米顆粒的一維組件的示意圖；

（b）氧化鐵質NP鏈的磁化對外部磁場方向的依賴性；

（c-e）寬度分別為（c）0.16、（d）0.31和（e）0.82 μm環氧化鐵NPs的1D組件的SEM圖像；

（f-h）分別在（c'）中的磁性NP的1D組件的磁性。

5、總結與展望

綜上所述，本綜述總結了通過LBIA策略從小分子到大分子和納米材料精確定位1D圖案的最新進展。詳細討論了機制、選擇功能材料的規則以及調整一維裝配的位置和結構的策略。由于各向異性線性結構、可調材料種類、可控分子堆積以及在所需基板上的按需定位，由LBIA策略主導制備的1D組件在光學、電學和磁場中巨大的應用價值。然而，我們必須明確關于LBIA策略的研究還處于起始階段，其發展存在許多的挑戰：1）、大多數功能性材料溶解在有機溶劑中，而不是水中。2）、雖然將小分子組裝成單晶1D微結構可以促進波導、高靈敏度的光電探測器甚至激光場，但是在選擇功能性分子鏈段和相關有機溶劑以促進小分子的緊密堆積還存在許多不明確的地方。3）、基于NP的一維結構的傳輸損耗是相當大的，尤其是在光學應用中。同時，通過研究發現LBIA策略的主要優勢是采用自收縮液體橋梁作為限制間距來限制客體材料的一維裝配。因此，這種軟的受限間距可以窄到幾納米尺寸，進而可以使NP鏈的寬度為單個NP。該特征還可以促進未來的非線性聚合物流變學和DNA技術。最后，相信通過LBIA策略制備一維功能材料組件/結構將提供可能有利于不同應用領域的新機會。

文獻鏈接：Liquid bridge induced assembly (LBIA) strategy: Controllable one-dimensional patterning from small molecules to macromolecules and nanomaterials（Nano Today, 2019, DOI: 10.1016/j.nantod.2019.02.010.）

通訊作者簡介

蘇彬 博士，華中科技大學，材料科學與工程學院，教授，博士生導師。“華中學者”特聘崗；國家中組部“千人計劃-青年項目”獲得者；湖北省“百人計劃-青年項目”獲得者；澳大利亞研究委員會早期職業研究員獎（ARC-DECRA）獲得者。

江雷 院士，無機化學家、納米材料專家，中國科學院院士、發展中國家科學院院士、美國國家工程院外籍院士，中國科學院理化技術研究所研究員、博士生導師，北京航空航天大學化學與環境學院院長。

本文由材料人CQR編譯，材料人編輯整理。

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