納米薄膜的案例
中科院金屬所米級單壁碳納米管薄膜的連續制備取得進展！
單壁碳納米管具有優異的力學、電學和光學性質，在柔性和透明電子器件領域可作為透明電極材料或半導體溝道材料，因此被認為是最具競爭力的候選材料之一。
開發出可高效、宏量制備高質量碳納米管薄膜的方法已成為該材料走向實際應用的關鍵難題。首先，迄今制備的單壁碳納米管薄膜的尺寸通常為厘米量級，批次制備方式不能滿足規模化應用要求；其次，由于在碳納米管薄膜制備工藝過程中通常會引入雜質和結構缺陷，使得薄膜的光電性能劣化，遠低于理論預測值。因此，發展一種高效、宏量制備高質量單壁碳納米管薄膜的制備方法具有重要價值。
近日，中國科學院金屬研究所先進炭材料研究部孫東明團隊與劉暢團隊合作，提出了一種連續合成、沉積和轉移單壁碳納米管薄膜的技術，實現了米級尺寸高質量單壁碳納米管薄膜的連續制備，并基于此構建出高性能的全碳薄膜晶體管（TFT）和集成電路（IC）器件。
大面積柔性全碳器件：（a）柔性透明全碳器件；（b）器件光學透過率曲線；（c）全碳TFT結構示意圖。
研究人員采用浮動催化劑化學氣相沉積方法在反應爐的高溫區域連續生長單壁碳納米管，然后通過氣相過濾和轉移系統在室溫下收集所制備的碳納米管，并通過卷到卷轉移方式轉移至柔性PET基底上，獲得了長度超過2m的單壁碳納米管薄膜。
米級單壁碳納米管薄膜的制備：（a）碳納米管連續合成、沉積和轉移過程；（b）實驗裝置；（c）柔性PET襯底上的單壁碳納米管薄膜；（d）一卷單壁碳納米管薄膜。
通過該方法制備的單壁碳納米管薄膜表現出優異的光電性能和分布均勻性，在550納米波長下其透光率為90％，方塊電阻為65Ω/□。研究人員利用所制備的碳納米管薄膜構筑了高性能全碳柔性透明晶體管以及異或門、101階環形振蕩器等柔性全碳集成電路。
展開 用于提高熱管理能力的高導熱且電絕緣的聚合物/氮化硼納米片納米復合薄膜
本文報告使用靜電紡絲，經過簡單折疊和熱壓，制備出高導熱但電絕緣的熱塑性聚合物基BNNS納米復合薄膜，具有簡單性和適應性以用于商業生產。聚偏二氟乙烯（PVDF）用作基體，BNNSs沿聚合物薄膜的面內方向取向和相互連接，使PVDF / BNNS納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數16.3 W/（m·K）。此外，納米復合膜具有比原始PVDF更好的電絕緣性能。通過實驗和模擬，證明了這種納米復合薄膜在電源熱管理中的潛在應用。
【圖文導讀】
圖1 PVDF / BNNS納米復合薄膜的制備方案
圖2 纖維和納米復合材料薄膜的微觀結構或形態圖
a）PVDF纖維的SEM圖像;
具有20wt％（b）和33wt％（c）BNNS的納米復合纖維的SEM圖像;
（d，e）具有33wt％BNNS的納米復合纖維的TEM圖像，d）中的插圖是互連和線性排序的BNNS的模擬形態；
具有33wt％（f）和20wt％（g）BNNS的垂直折疊的納米復合纖維的SEM圖像;
具有33wt％BNNS的納米復合膜的SEM圖像（h）和照片（i）。
展開 浙江大學徐志康教授團隊Angew：烷烴-離子液體界面聚合制備納米聚酰胺薄膜
進一步，研究者通過精細選擇單體種類、調控單體濃度，制備出了一系列孔徑在埃尺度可設計的高交聯度超薄聚酰胺納米薄膜（厚度低至4.3 nm，交聯度可達96.2%），這些薄膜在水相反滲透、水相納濾、有機納濾和氣體分離領域表現出高滲透性和選擇性。
圖3. 可設計孔徑的聚酰胺納米薄膜的分離性能。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
這一成果近期發表在
Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是浙江大學博士研究生
劉暢和杭州師范大學青年教師
楊靜博士。
碳納米管薄膜讓電量提升3~5倍
這項電池技術的突破，集中在一種穿上碳納米薄膜的新型陽極材料上。
好消息是，萊斯大學的科學家們，已經找到了一種讓當前廣泛使用的鋰離子電池容量成倍提升的好方法。
此前，有實驗室借助過凱夫拉纖維來限制晶枝的生長、或者使用全新類型的電解質（攜帶電荷的化學溶液）。
早在去年的時候，萊斯大學的同一研究團隊，就已經開發出了一種用瀝青制成的鋰金屬電池。它的充電速度更快、且對晶枝的形成有更強的抵抗力。
現在，研究團隊更進了一步，將碳納米薄膜引入其中。它被用于涂覆電池的鋰金屬陽極，用于更有效地浸沒晶枝，類似于拿重物壓草坪、以抑制雜草。
對比圖：右側為沒有碳納米管薄膜來限制鋰晶枝的金屬陽極。
這種薄膜從陽極吸收鋰離子，并在充電過程中分配它們。但所有這些，都不會影響電池的充電速率。研究合著者 Rodrigo Salvatierra 表示：
碳納米管薄膜的作用，是將沉積的金屬鋰散布開來，從而形成一個沒有晶枝的光滑層。
這樣的改進，并不會限制此類電池的充電速率、甚至放心地運用高倍率充放電。
在將新組件部署到去年的瀝青-鋰電池后，研究人員發現其在超過 580 次循環后，依然能夠防止晶枝的生長。此外電池的庫倫效率保持在 99.8%，成品也更易于打造。
左一起為萊斯大學化學家 James Tour、研究生 Gladys López-Silva、以及博士后研究員 Rodrigo Salvatierra 。
不過 Salvatierra 解釋到：與早先的瀝青電池相比，它有一些不同的地方。
首先，我們用碳納米管薄膜來修飾固態的鋰金屬箔，這兩種材料早已做好了被電池所用的準備。
展開 
鋰電新突破：碳納米管薄膜包覆陽極 電量提升3~5倍
這項電池技術的突破，集中在一種穿上碳納米薄膜的新型陽極材料上。
好消息是，萊斯大學的科學家們，已經找到了一種讓當前廣泛使用的鋰離子電池容量成倍提升的好方法。
此前，有實驗室借助過凱夫拉纖維來限制晶枝的生長、或者使用全新類型的電解質（攜帶電荷的化學溶液）。
早在去年的時候，萊斯大學的同一研究團隊，就已經開發出了一種用瀝青制成的鋰金屬電池。它的充電速度更快、且對晶枝的形成有更強的抵抗力。
現在，研究團隊更進了一步，將碳納米薄膜引入其中。它被用于涂覆電池的鋰金屬陽極，用于更有效地浸沒晶枝，類似于拿重物壓草坪、以抑制雜草。
對比圖：右側為沒有碳納米管薄膜來限制鋰晶枝的金屬陽極。
這種薄膜從陽極吸收鋰離子，并在充電過程中分配它們。但所有這些，都不會影響電池的充電速率。研究合著者 Rodrigo Salvatierra 表示：
碳納米管薄膜的作用，是將沉積的金屬鋰散布開來，從而形成一個沒有晶枝的光滑層。
這樣的改進，并不會限制此類電池的充電速率、甚至放心地運用高倍率充放電。
在將新組件部署到去年的瀝青-鋰電池后，研究人員發現其在超過 580 次循環后，依然能夠防止晶枝的生長。此外電池的庫倫效率保持在 99.8%，成品也更易于打造。
左一起為萊斯大學化學家 James Tour、研究生 Gladys López-Silva、以及博士后研究員 Rodrigo Salvatierra 。
不過 Salvatierra 解釋到：與早先的瀝青電池相比，它有一些不同的地方。
首先，我們用碳納米管薄膜來修飾固態的鋰金屬箔，這兩種材料早已做好了被電池所用的準備。
其次，在瀝青衍生的電極中，鋰金屬必須進行電化學沉積，才能在完整的電池裝置中使用。
展開 北航《先進材料》：一步制備多維取向的圖案化納米線薄膜
對液體的操控是實現很多重要工業生產和生活應用的關鍵過程，在微電路印刷、生物芯片、薄膜器件和微流控等方面有重要的應用。其中，一維納米線溶液的可控輸運及組裝是實現有序的圖案化納米線薄膜的關鍵。與無序的、散亂分布的納米線相比，多尺度分級有序的納米線往往表現出更優異的整體協同性能和特殊的物理化學性質。目前，常用的溶液法制備有序納米線薄膜的方法存在著一些局限性，如需要復雜的設備、復雜的樣品預處理過程、納米線沉積位置難以精確控制、后處理過程中納米線重新定向等問題。因此，可控制備多尺度有序的納米線結構依然是挑戰。
日常生活中，人們的頭發在潤濕后晾干的過程中往往會粘附在一起，這是由于去浸潤過程總毛細作用力下纖維陣列發生的彈性聚集現象導致的。在該過程中，纖維陣列頂端的液膜會自發的各向異性收縮，這為納米線溶液的可控輸運及組裝提供了新的契機。
近日，北京航空航天大學的劉歡研究員課題組發展了一種簡單通用的策略：利用陣列碳納米管陣列在去浸潤過程中的毛細粘彈聚集現象，實現了液膜的方向性收縮，基于此一步制備了多維取向的圖案化納米線薄膜。該方法不需要任何外部力量輔助。其原理是被納米線溶液潤濕的碳納米管陣列在去浸潤過程中，出現毛細彈性聚集現象，使納米線溶液液膜能夠在碳納米管陣列頂部各向異性收縮，迫使液膜中隨機分布的納米線向著液膜的方向旋轉、移動，最終緊密有序地排列在碳納米管陣列頂部。在碳納米管陣列聚集的同時，碳納米管紗線被牽扯出來連接兩個相鄰的碳納米管陣列聚集體，最終構筑了由上層X方向上水平有序排列的納米線，下層Z方向上垂直排列的碳納米管陣列聚集體和Y方向上連接碳納米管陣列聚集體的碳納米管紗線三部分組成的多維度有序的納米線微圖案。這種多維取向的圖案化納米線薄膜表現出良好的壓力傳感性能，靈敏度為0.32 kpa-1，有望用于構筑電子皮膚。
展開 西南交大楊維清教授等CRPS：水蒸發誘導分子間作用力實現納米褶皺聚合物薄膜合成
PDMS納米褶皺薄膜的設計與合成
褶皺生長機理與表征
同時系統研究了PDMS薄膜表面褶皺生長過程，分為破乳、生成表層、褶皺形核、褶皺生長與褶皺終止五個過程。在第一階段，PDMS乳液在受熱狀態下發生破乳，PDMS開始聚合，并在第二階段，形成表層結構。隨著反應持續進行，基體中水分不斷蒸發，在表層形成壓應力，薄膜表層開始收縮。在第三階段，表面不穩定區域首先開始出現褶皺，并且在第四階段，褶皺結構不斷向周圍擴展，最終在第五階段，表面完全生成褶皺結構。通過改變體系中水分含量，可以對褶皺波長進行調控（250 nm-10.5 μm），當褶皺波長為250 nm時，薄膜表現出良好的柔性與透明性（圖2）。
圖2. PDMS褶皺生長機理與表征
PDMS納米褶皺薄膜的應用
PDMS電負性較大，是良好的摩擦電材料，在其表面制備褶皺結構，可以增加其表面積，提高表面電荷密度，進一步提高摩擦納米發電機（TENG）輸出。研究人員制備了基于納米褶皺薄膜的TENG器件，與平面薄膜相比，其輸出電壓、轉移電荷與短路電流分別提升了219%、279%以及511%。器件輸出功率為8.5 mW，并在2 Hz工作頻率下，可于120 s內將容量為22 μF和100 μF的電容器充電至4.7 V和2.2 V（圖3）。
圖3. PDMS納米褶皺薄膜應用于能量收集
此外，基于納米褶皺PDMS薄膜，研究人員制備了柔性觸覺傳感器，其基本結構包括PDMS基底、柔性電極和納米褶皺功能層。
展開 ：超疏水力誘導的超快速(5秒)界面納米粒子宏觀單層自組裝及其納米薄膜工程化技術
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。
圖1
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動力學和熱力學調控的納米粒子在液
-液界面自組裝。
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.
展開 唐本忠院士/王東副教授Biomaterials：負載AIE光敏劑的納米纖維薄膜用于光動力和光熱效應協同的生物防護
共聚焦熒光顯微鏡的結果表明TTVB被均勻的負載到了納米纖維中，對納米纖維的微觀結構和尺寸沒有明顯影響。此外，TTVB@NM也具有較強的ROS 產生能力以及溫和的光熱效應，有利于實現光動力/光熱協同的抗菌。
圖3. 負載TTVB的納米纖維薄膜的微觀結構、活性氧產生能力、過濾效率、透氣性以及表面接觸角表征。
作者使用氣溶膠發生器制備了直徑為1 ~ 5 μm的含有致病微生物的微小顆粒以模擬人類打噴嚏或咳嗽時產生的氣溶膠（圖4），進而研究了TTVB@NM對致病氣溶膠的攔截能力。結果表明，TTVB@NM表面附著了很多病原菌，且薄膜的下表面沒有病原菌穿過。進一步的，作者將含有多種病原微生物的氣溶膠噴到薄膜表面，然后將其置于日光下輻照5或者10分鐘，結果表明，TTVB@NM可在10分鐘的陽光照射下有效滅活含細菌(抑制率為99%)、真菌(抑制率為88%)和噬菌體(抑制率為99%)的致病性氣溶膠。
圖4. 負載TTVB的納米纖維薄膜對含有病原菌的氣溶膠的過濾能力以及在太陽光下對其表面附著的病原菌的滅活能力研究。
相關研究工作目前以“AIEgen-loaded nanofibrous membrane as photodynamic/photothermal antimicrobial surface for sunlight-triggered bioprotection”為題目發表在Biomaterials上，文章第一作者為深圳大學AIE研究中心李夢博士，通訊作者為深圳大學AIE研究中心王東副教授和香港中文大學（深圳）唐本忠院士。
展開 都柏林大學張楠、蘇大周宇陽《Nano Letters》：多級復合納米結構納米材料高效抗新冠高分子薄膜
薄膜包裝材料成為傳播新冠病毒的一個確認重要途徑。仿生微納米結構可通過物理作用‘刺破’細菌，而新冠病毒尺寸僅為100納米左右，無法直接利用微納米結構殺滅。納米銀/銅懸浮液可有效殺滅病毒。如何提高納米銀/銅在薄膜表面殺滅新冠病毒效率降低間接傳播病毒風險，建立抗新冠薄膜批量化生產技術是全球抗擊新冠疫情亟待解決的難題之一。
愛爾蘭都柏林大學助理教授張楠博士與蘇州大學周宇陽博士在《Nano Letters》期刊上發表了題為“Enhancement of Antiviral Effect of Plastic Film against SARS-CoV-2: Combining Nanomaterials and Nanopatterns with Scalability for Mass Manufacturing”的文章（DOI: 0.1021/acs.nanolett.1c02266）。本課題設計并建立了多級微納米結構抗新冠薄膜批量化生產工藝。利用研制的納米銀/銅聚乙烯醇（PVA）墨水和陽極氧化鋁（AAO）模板，分別結合超聲霧化噴涂技術和納米壓印技術（NIL），在PE和PET薄膜表面構造出經納米顆粒修飾的錐形矩陣，提高了殺滅新冠病毒的效率。
本技術優勢體現在以下三方面：
一、高效殺滅新冠病毒，多級微納米結構PE和PET薄膜可在1h內降低兩個數量級活性新冠病毒；
二、耐久性，5次模擬手摩擦實驗后，微納米結構保持完整；
三、工業化前景，原料及技術成本低，具有連續化工業生產前景。
展開 10英寸超大尺寸復合納米薄膜用于耐溫柔性超級電容器
中國石油大學(華東)臧曉蓓和清華大學康飛宇、朱宏偉等人近期在Science China Materials上發表論文，他們制備了面積高達550 cm2(常規尺寸的29倍)的石墨烯/碳納米管/錳氧化物(rGO/CNT/MnOx)復合薄膜，并將其用于耐溫柔性超級電容器。該電極材料的性能取決于復合薄膜中石墨烯、碳納米管和錳氧化物的比例，其中，MnOx賦予其高比電容。此柔性超級電容器可在?20~200°C溫度區間內保持良好的電化學性能和柔性，表現出優異的穩定性。該工作為復合納米材料薄膜的大批量制備和適用于寬溫度區間的柔性超級電容器的發展奠定了基礎。
圖1 超級電容器的柔性
該研究成果最近發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9399-3。
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“100年，中國‘芯'”—— 在十萬分之一普通紙厚度的薄膜上寫字意味著什么？
在這個厚度相當于一張普通打印紙的十萬分之一，只有5個原子層厚度的納米磁性薄膜上，寫下了“100年，中國‘芯'”。
科研人員在5個原子層厚的納米磁性薄膜上寫下“100年”。 來源：新華網
01、磁性芯片高精度檢測領域取得新突破
磁性芯片生產過程中，需將納米磁性薄膜均勻鋪在晶圓（制作硅半導體集成電路所用的襯底）上。確保所有晶圓完全“躺平”有多難？科研人員介紹說，相當于在不平整的地面上均勻鋪滿5層厚的小米粒，且須完全平整。因此，檢測薄膜的平整度尤為關鍵。
科研人員介紹，利用由北航集成電路學院研發的晶圓級磁光克爾測試儀，通過微小的磁性針尖在薄膜上寫字，若字的顏色對比度一致、字跡清晰，則表明薄膜有良好的均勻性。完成平整度檢測后，將納米薄膜制成器件，封裝后形成芯片。
科研人員（前）在5個原子層厚的納米磁性薄膜上寫下“中國芯”。
展開 馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
與之相反，長度較短的碳納米管由于不能成功連接這些裂痕，其在高應力的條件下表現出導電性的急劇下降。基于此種機理，王育煌教授課題組得到了“long tubes conduct, short tubes sense“即長碳納米管更適用于導電性的應用，而短納米管則適用于應力傳感器的應用的結論。相關成果發表在納米領域頂級期刊SMALL 上，論文題目為“Stretchable Transparent Conductive Films from Long Carbon Nanotube Metals”。文章的作者為王育煌課題組的王鵬，彭志為和李沐笑。
【圖文導讀】
圖1 溶解長碳納米管的方法以及產品表征
（a）制作基于金屬性碳納米管的可拉伸導電膜薄膜流程示意圖
（b）由S2E方法溶解的碳納米管的AFM圖像
（c）由普通超聲方法溶解的碳納米管的AFM圖像
（d）兩種不同方法得到的碳管長度統計
圖2 基于不同長度碳納米管的可拉伸透明薄膜的應力-導電性表征
（a-d）三種分別基于3.2微米長碳納米管薄膜，0.8微米長碳納米管薄膜和3.2微米長碳納米管薄膜，預拉伸基底薄膜的應力-透光率-導電率關系
（e）本工作與其他柔性導電材料對比
我們可以清晰看出，導電高分子材料有十分出色的延展性，但是其導電率通常很低。金屬納米線以及二維碳材料（如石墨烯等）負載到高分子薄膜上可以實現優異的導電性，但是他們的導電性在應力影響下衰減迅速，如果應用到設備則無法實現穩定的電流輸出。
展開 未來，航空材料又將走向何方？
歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料密度低、強度高、可設計性強。然而，碳纖維復合材料尚存在諸多不足之處，如韌性差、導電性差、成本高以及在線健康監測困難等，限制了復合材料在航空領域更大規模的應用。”蘇州納米所研究員呂衛幫表示，經過多年努力，蘇州納米所的研究團隊采用多種制備技術，成功生產碳納米管薄膜，成為了目前國際上少有的能夠制造連續碳納米管薄膜的科研機構。
碳纖維復合材料的制備方法之一是把一層層鋪設的碳纖維和樹脂經過加壓高溫固化成型，層間性能較差。呂衛幫表示：“我們希望，通過碳納米材料與傳統碳纖維材料進行復合，增強碳纖維復合材料的層間性能，解決其存在的上述問題。”
事實上，除了在航空產業中的應用，碳納米管薄膜產品已經出現在我們的日常生活中。記者在蘇州納米所展廳中看到了一件沖鋒衣。呂衛幫介紹，這件沖鋒衣背部縫合了碳納米管薄膜，有效利用了碳納米管薄膜的高效電加熱特性。
展開 納米復合材料或將成為下一代航空材料
蘇州納米所研究員呂衛幫表示，經過多年努力，蘇州納米所的研究團隊采用多種制備技術，成功生產碳納米管薄膜，成為了目前國際上少有的能夠制造連續碳納米管薄膜的科研機構。
碳纖維復合材料的制備方法之一是把一層層鋪設的碳纖維和樹脂經過加壓高溫固化成型，層間性能較差。呂衛幫表示：“我們希望，通過碳納米材料與傳統碳纖維材料進行復合，增強碳纖維復合材料的層間性能，解決其存在的上述問題。”
事實上，除了在航空產業中的應用，碳納米管薄膜產品已經出現在我們的日常生活中。記者在蘇州納米所展廳中看到了一件沖鋒衣。呂衛幫介紹，這件沖鋒衣背部縫合了碳納米管薄膜，有效利用了碳納米管薄膜的高效電加熱特性。這塊邊長僅有20cm左右的薄膜連接上充電寶后，可持續加熱5—6小時，從而大幅度提高沖鋒衣的防寒能力。
呂衛幫表示，蘇州納米所將繼續攻關納米航空材料低成本制備、防/除冰、電磁屏蔽等技術，一方面推進納米技術在航空、航天等高端產業中的應用，另一方面推動尖端技術走向市場，服務百姓，提升社會生活質量。
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