子 彈出膛，動力來源于腔體內彈藥燃燒產生的高壓氣體。火箭發射，依賴于推進劑產生的逆向高速熱氣流動力。而粒子液-液界面自組裝(即粒子從體相中游離分散的狀態到達界面以密集組裝體形式存在)過程中，卻需要 “跋山涉水”，僅有少量“佼佼者粒子”通過克服動力學和熱力學吸附勢壘，組裝于界面。那么，如果在納米粒子界面自組裝過程中，給予強大的“燃料動力”，是否可以最大限度克服動力學和熱力學吸附勢壘，實現超快速界面自組裝呢？基于這樣的思想，界面超快速自組裝能否開發成一種普適性的單層納米粒子薄膜工程化技術呢？ 

遺憾的是，由于難以克服的動力學和熱力學吸附勢壘，傳統液-液界面自組裝往往呈現耗時、重復性差、無法大面積制備、粒子組裝可控性差、組裝效率低等不足，并導致納米粒子界面自組裝尚未用于納米薄膜工程化技術開發，進而限制其在傳感、顯示、光電器件等領域的功能應用。

那么，克服動力學和熱力學吸附勢壘的驅動力來源于哪里呢？納米粒子的界面自組裝過程是受動力學和熱力學協同調控的(圖1a)。納米粒子疏水性(θ)在動力學及熱力學調控組裝的過程中，扮演著舉足輕重的角色。而傳統液-液界面自組裝中，粒子接觸角的調控范圍較小(~90°)，難以提供強大的驅動力來克服動力學和熱力學吸附勢壘。

鑒于此，杭州師范大學材料與化學化工學院黃又舉教授團隊在納米粒子界面超快速宏觀大面積組裝領域取得重大突破，相關研究工作以 “Instant Interfacial Self-Assembly for Homogeneous Nanoparticle Monolayer Enabled Conformal ‘lift on’ Thin Film Technology”為題發表在Science Advances （2021, 7, eabk2852）上。

研究者發現，在納米粒子組裝體系中引入具有超低表面能的全氟分子(全氟癸硫醇)，賦予納米粒子超高接觸角(>130°)，將動力學和熱力學吸附勢壘降低至極限，可以在5秒內實現超快速、宏觀大面積、二維單層膜組裝結構的構建(圖1b, c)。值得一提的是，超過粒子所需配體1000倍的全氟分子用量，不僅提供了粒子超快速組裝的強大“燃料動力”，全氟分子間的范德華力及疏水力作用為粒子單層密集組裝起到了決定性作用。而且，組裝面積可滿足工程技術成本要求(>4英寸)，達工程應用級別(4.3英寸)，粒子成膜利用率高達98.5%。與傳統局限性界面自組裝不同，這種組裝技術可普適到多種納米及微米粒子的快速大面積界面自組裝。不同形貌、不同種類及表面性質的貴金屬納米粒子(正電Au NPs, 負電Au NPs, Ag NPs, 納米金棒)、核殼結構(Au NPs@PANI)、氧化物(SiO₂, Fe₃O₄)、碳材料(CNTs)、量子點(CQDs)、聚合物(聚苯乙烯微球)等均可通過這種超快速界面組裝技術，獲得宏觀大面積二維組裝結構。

更有趣的是，這種單層膜均勻二維膜有讓人意想不到的轉移及轉印性能！納米薄膜制造技術是現代工程中必不可少的制造手段。黃又舉教授團隊通過一種“lift-on”策略，可實現自組裝單層膜到任意基底上的無損轉移。基于全氟修飾的納米粒子單層膜與PDMS印章的低界面能釋放速率，該單層膜在不同的基材(PDMS、塑料、玻璃、紙張等)表面都有優異的保形涂覆性能。薄膜結構的共形加工（Conformal engineering）對于實現新型結構-性能關系至關重要，為實現柔性可穿戴設備和電子的穩定傳感/驅動性能奠定了堅實的幾何結構基礎。然而，材料本身性質、可擴展性及繁瑣的加工步驟等問題嚴重制約了規模化制造的廣泛應用。針對上述難題，研究者提出了基于全氟誘導粒子界面自組裝的薄膜工程化技術手段，可實現薄膜的宏觀和微觀圖案打印（圖2a）。同時，基于液-液界面納米粒子二維膜的分子捕獲特性及強大的自愈性能，研究者制備了功能性熒光圖案，在高分辨熒光防偽的領域展現出優異的應用前景。

 圖2. 基于納米粒子界面自組裝的薄膜工程技術：（a）宏觀及微觀圖案的保形打印技術；（b）功能化高分辨熒光微圖案的制備。

這一項工作不僅最大限度地突破了傳統界面自組裝過程中的能量勢壘障礙，實現了諸多優勢如宏觀大面積、超快速、高粒子利用率、高普適性的、粒子密集均一排列于一體的完美組裝體系的構建，更為重要的是，這種基于納米粒子界面自組裝的薄膜技術，突破了傳統膜技術材料限制、高成本、高精密儀器及苛刻人員要求等瓶頸，成為了一種新型的薄膜技術手段，為拓展其在生物傳感、柔性器件、光電顯示等領域應用前景奠定了堅實的基礎。

該工作第一作者為宋麗平博士（中國科學技術大學與杭州師范大學聯合培養博士后）和英國諾森比亞大學徐斌教授，杭州師范大學材料與化學化工學院黃又舉教授為通訊作者，杭州師范大學為第一單位。該工作得到了國家自然科學基金（51873222, 52111530128）、浙江省自然科學基金重點項目（Z22B055324）、安徽省重點研發項目（202004g01020016, 202104g01020009）及杭州師范大學啟動基金（4095C5021920452）等項目的支持。

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk2852