聚合物薄膜的案例
復旦大學ACS Nano: 大面積制備堅固透明的超雙疏聚合物薄膜
圖5 在涂有聚合物薄膜的4英寸硅晶片上液滴的光學照片
圖6 所得聚合物薄膜的化學穩(wěn)定性和機械強度試驗
a-c）在室溫下，聚合物薄膜分別浸泡在強酸，強堿和高濃度NaCl溶液中96小時。d-f）經(jīng)過上述化學環(huán)境處理后液滴在聚合物表面上的照片。g）通過重力驅(qū)動對聚合物薄膜耐磨性的落沙試驗。h）聚合物薄膜的砂紙劃痕試驗的示意圖。i）經(jīng)過砂紙劃痕處理后液滴在聚合物薄膜表面上的照片。
圖7 聚合物薄膜的柔韌性
a）反復循環(huán)彎曲和恢復的聚合物薄膜的水接觸角的變化。 b）聚合物薄膜的SEM圖像顯示出薄膜優(yōu)異的柔韌性。c）彎曲和恢復的聚合物薄膜的接觸角。
圖8 透明超雙疏薄膜的制備
a）與普通玻璃載玻片相比，聚合物薄膜的紫外-可見光透射率光譜圖。b）水和油滴在涂有聚合物薄膜的4英寸玻璃上的側(cè)視和頂視的光學照片。 c，d）剝離和無基底的聚合物薄膜。
【小結(jié)】
文章報道了一種簡便的單向摩擦加熱處理方法，用于制備透明的超雙疏聚合物薄膜。與先前報道的制備疏液表面的自組裝方法相比，該策略有一些明顯的優(yōu)點：它可以產(chǎn)生兩種前所未有的單層有序凹角結(jié)構(gòu)：，六方排列三角突起結(jié)構(gòu)和六方排列矩形微柱結(jié)構(gòu)。它們不僅具有優(yōu)異的液體排斥性能和自清潔性能，而且具有高透明度和良好的耐物理磨損、抗強酸/強堿和濃鹽溶液的特性。而且該制備方法可以很方便地在諸如凹面和凸面的平面或非平面基底上大面積制備這種有序結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜。
展開 ：非對稱多層多孔聚合物薄膜的一步法制備及其藥物控釋應用
多孔聚合物薄膜因具有輕質(zhì)、高比表面積、易加工和結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活等優(yōu)越性能，而被廣泛應用于多個重要領(lǐng)域。隨著多孔聚合物材料的應用場景日益前沿化，如何制備具有復雜三維孔洞形貌的多孔聚合物材料成為該領(lǐng)域研究者的新挑戰(zhàn)。其中具有有序/無序復合型非對稱結(jié)構(gòu)特點的多孔聚合物薄膜，由于其在膜分離等領(lǐng)域所獨有的應用優(yōu)勢，獲得了越來越多的關(guān)注。到目前為止，這類多孔膜結(jié)構(gòu)所報道最多的制備方法是利用嵌段共聚物自組裝和相轉(zhuǎn)化方法相結(jié)合來實現(xiàn)的。然而這一方法存在原料不易得、需多步執(zhí)行等限制，且無法通過制備過程的調(diào)控有效實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計。
近日，寧波大學孫巍團隊提出一種新型非對稱多孔多層薄膜的制備方法，通過實施反相乳液-水滴模板（Ie-BF）法，利用反相乳液水滴和高濕度凝結(jié)水滴的協(xié)同模板化作用，在所制備的聚合物薄膜表面和本體層中實現(xiàn)同步致孔，一步法制備得到有序/無序非對稱結(jié)構(gòu)化的多層多孔Ie-BF薄膜，并利用其特殊的多孔結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)藥物分子持續(xù)可控釋放的應用目的。
圖1. 非對稱多層多孔Ie-BF薄膜的制備過程和實現(xiàn)藥物加載釋放的示意圖
研究團隊通過對Ie-BF法實施過程中乳液配方、實施環(huán)境條件等實驗條件的控制，成功構(gòu)建了由表面有序單層多孔陣列層和本體無序多層多孔基體層組成的非對稱結(jié)構(gòu)，并證實了高濕度凝結(jié)水滴和乳液水滴分別是表面層和本體層致孔的主要來源，且兩種致孔因素也分別參與到本體層和表面層的致孔過程，由此形成了一個高度動態(tài)可控的復雜多孔結(jié)構(gòu)制備過程。
展開 共軛聚合物的多級組裝促發(fā)大面積加工聚合物單分子層晶體管
而在加入二氯甲烷（不良溶劑）或者氯苯（良溶劑）后，薄膜形貌轉(zhuǎn)變?yōu)楦窀旅艿?em>薄膜或者分散的纖維。薄膜吸收光譜、AFM高度以及掠入射X射線散射證明了聚合物單分子層的厚度，且表明單分子層的形成具有寬的加工窗口。更為重要的是，該聚合物單分子層的形成與基底的性質(zhì)關(guān)系較小，在具有不同接觸角的基底均可以沉積得到聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)。寬的加工窗口和弱的基底相關(guān)性非常有利于加工大面積和高均勻性的聚合物薄膜。
圖2 共軛聚合物聚集行為的調(diào)控與大面積加工聚合物單分子層：a，共軛聚合物的化學結(jié)構(gòu)；b，混合溶劑調(diào)控下的聚合物溶液的吸收光譜；c，可晶圓級加工聚合物薄膜的提拉裝置；d，混合溶劑與提拉速度調(diào)控的聚合物薄膜形貌；e，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸收光譜； f，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸光度與厚度；g，4英寸晶圓級的聚合物單分子層薄膜。
圖3 薄膜晶體管器件：a，4英寸晶圓級薄膜晶體管實物圖與器件結(jié)構(gòu)示意圖；b，晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線；c，晶體管輸出特性曲線；d，晶體管開關(guān)穩(wěn)定性測試；e，晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線；f，單分子層與多分子層的電子遷移率比較；g，n型聚合物單分子層晶體管性能比較。
研究人員利用該聚合物組裝策略，在4英寸晶圓上加工了聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)，形貌、高度與器件性能均表現(xiàn)出了很好的均勻性（圖3）。基于聚合物單分子薄膜的場效應晶體管在空氣下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電子傳輸性能，在持續(xù)開關(guān)1500 s后仍保持基本不變。相比于傳統(tǒng)的旋涂薄膜（18 nm），聚合物單分子層（4 nm）保持了相似的電子傳輸性能，最高電子遷移率可達1.88 cm?2V?1s?1，是目前報道中聚合物單分子層最高的電子遷移率。隨后，他們結(jié)合了多種實驗手段觀測到了聚合物在稀溶液中的組裝結(jié)構(gòu)，為一維蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。隨著濃度的提高，聚合物的組裝體逐漸生長為網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。
展開 研究 \\ 具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和阻燃性的超高導熱聚合物薄膜
聚合物由于其良好的加工性能，密度低，耐電、耐腐蝕，在許多應用中都很受歡迎。
然而，聚合物很難在熱管理應用中脫穎而出，因為它的導熱系數(shù)通常低于0.5 W/mK。通常在聚合物中加入無機導熱填料(如石墨烯、碳納米管和氮化硼)以獲得高導熱性。但是，如何確保無機填料的均勻分散一直是一個復雜的問題。因此，優(yōu)異的導熱系數(shù) (>15 W/mK)只能通過使用多種填料來實現(xiàn)，這通常會導致嚴重的機械性能損失和密度的顯著增加。
聚合物很難直接用于熱管理應用。但是，通過優(yōu)化其結(jié)晶度、取向、分子量和化學結(jié)構(gòu)，已經(jīng)設(shè)計出了高導熱聚合物薄膜。到目前為止，只有PE薄膜達到了與許多金屬和陶瓷(例如304不銹鋼(15 W/mK)和氧化鋁(30 W/mK)相當?shù)膶嵯禂?shù)值。由于PE的軟化溫度較低(<135℃)，耐火性較差，加之制備方法復雜，在實際應用中難以充分利用PE膜的高導熱系數(shù)。因此開發(fā)具有高導熱系數(shù)，優(yōu)異的機械性能和易于加工的聚合物仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。
02成果掠影
針對聚合物通常具有導熱性過低，無法直接用于熱管理應用的問題。近期，中科院化學所趙寧團隊提出以PBO納米纖維為基元，通過溶膠-凝膠-膜轉(zhuǎn)化和退火法制備了PBO薄膜。通過優(yōu)化PBO納米纖維溶膠的凝膠化，減少凝膠的不規(guī)則收縮，可以有效地改善薄膜中三維互聯(lián)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的取向。熱退火后，分子鏈的有序性和納米纖維之間的相互作用增強，進一步促進了聲子轉(zhuǎn)移。
因此，形成的PBO薄膜獲得了前所未有的導熱性、機械強度和抗紫外線性。該方法使得聚合物薄膜的面內(nèi)導熱系數(shù)達到了36.7 W/mK，比大多數(shù)聚合物(<0.5 W/mK)高出2個數(shù)量級，是304-不銹鋼的2.4倍。此外，PBO薄膜具有優(yōu)異的機械強度、熱/化學穩(wěn)定性、電絕緣性、阻燃性和增強的抗紫外線性。
展開 
Interfaces：聚合物薄膜寬且深的損傷的自
【引言】
自修復/可修復聚合物材料能自動或者在外在刺激的作用下修復自身損傷，自從20世紀70年代后期以來引起了重大關(guān)注。這些材料可分為外植型和本征型兩大類。聚合物鏈的遷移率決定本征型自修復聚合物材料的自修復能力。因此，本征型自修復聚合物薄膜的寬的損傷的修復以聚合物鏈的高遷移率為前提。層層自組裝聚合物復合膜受到機械損傷后，在保留它們的結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)出了巨大的潛力。更重要的是，精確控制層層自組裝膜的化學成分、結(jié)構(gòu)和聚合物鏈的構(gòu)象，可以制備不同的功能性自修復膜，以及對自修復機理進行研究。雖然層層自組裝膜的修復的機理已經(jīng)被完全證實，但聚合物薄膜的寬且深的損傷的修復的因素還沒被深入研究。
【成果簡介】
近日，吉林大學的孫俊奇教授（通訊作者）、博士生王燕（第一作者）等在學術(shù)期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上發(fā)表了題為Polymers with a Coiled Conformation Enable Healing of Wide and Deep Damages in Polymeric Films的文章。該文用簡便的方法開發(fā)了具有卷曲構(gòu)象的聚合物，制備了能修復自身的寬的損傷的層層自組裝聚合物膜。這種膜由交替沉積的帶正電荷的、具有卷曲構(gòu)象的聚氨酯和聚丙烯酸組成。聚氨酯的構(gòu)象從卷曲構(gòu)象轉(zhuǎn)化為舒展構(gòu)象，使聚氨酯和聚丙烯酸鏈發(fā)生遷移，從而修復聚氨酯/聚丙烯酸膜的寬度是膜厚6倍的損傷。
【圖文導讀】
圖1.
展開 《先進材料》高溫電容器介質(zhì)薄膜重要進展！
高溫電容器聚合物電介質(zhì)薄膜規(guī)模化處理的工藝方法示意圖
為解決上述問題，課題組提出采用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)在聚合物薄膜表面快速沉積具有寬能帶隙的納米絕緣層，以提高電極/介質(zhì)界面處的電荷注入勢壘，從而抑制聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫下的泄漏電流，大幅提高了聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫、高電場下的儲能特性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在大氣壓條件下快速沉積，具備連續(xù)處理的能力；其室溫沉積特性使得該方法直接適用于任意聚合物介質(zhì)薄膜。通過引入卷對卷薄膜加工技術(shù)和動態(tài)沉積，可實現(xiàn)規(guī)模化、連續(xù)化生產(chǎn)。該方法具有無污染、簡便、高效、低成本等特點，并且可與現(xiàn)有聚合物電容器薄膜生產(chǎn)線相兼容。目前課題組已在該技術(shù)領(lǐng)域申請多項國內(nèi)專利和PCT專利，并正與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。
薄膜沉積區(qū)照片、電介質(zhì)薄膜表面納米絕緣層斷面掃描電鏡圖和薄膜高溫介電儲能特性
近年來，李琦副教授專注于先進電介質(zhì)材料的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工方法等領(lǐng)域取得了多項重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然》（Nature）、《美國科學院院刊》（PNAS）、《先進材料》（Advanced Materials）、《材料研究年度評述》（Annual Review of Materials Research）等期刊上。
該論文第一作者為清華大學電機系2014級博士生周垚，通訊作者為清華大學電機系李琦副教授、何金良教授以及美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授，合作者還包括清華大學電機系曾嶸教授、胡軍副教授及中科院電工研究所邵濤教授。該研究成果得到了國家自然基金面上項目和北京市自然基金的支持。
來源：清華大學
展開 蘇州大學張偉教授團隊Angew：非手性聚合物體系中超分子手性的傳遞、放大、存儲以及手性自修復
(a)非手性聚合物以及手性檸檬烯的化學結(jié)構(gòu)式，（b）聚合物薄膜交聯(lián)固定手性過程示意圖，（c）超分子結(jié)構(gòu)手性自修復過程示意圖。
作者首先將非聚合物薄膜置于檸檬烯蒸汽氛圍進行高溫熏蒸，降溫即可實現(xiàn)手性誘導。通過DSC、SAXS以及POM一系列表征手段確定了該手性超結(jié)構(gòu)為手性向列相，隨著聚合物末端羥基含量的增加，誘導所得的手性信號強度呈減小趨勢。并且這一來自蒸汽誘導的手性在完全除去手性蒸汽分子以及交聯(lián)固定過程中可以完美保持。
圖2. (a)聚合物膜手性誘導過程CD與UV吸收光譜，(b)聚合物側(cè)鏈末端羥基含量對于手性表達的影響，(c), (d)手性蒸汽誘導前(c)后(d)聚合物膜液晶織構(gòu)的變化，(e)交聯(lián)固定過程手性薄膜CD與UV吸收光譜。
進一步地，通過與未交聯(lián)的手性聚合物薄膜對比，交聯(lián)固定的手性薄膜在受到加熱，光照以及溶劑的刺激時，其手性可被短暫地完全破壞（CD光譜無手性表達）。然而僅通過簡單的加熱降溫處理，手性自修復程度即可幾乎達到百分之百，多次循環(huán)測試仍無法觀察到明顯的手性減弱。而未交聯(lián)手性聚合物膜在經(jīng)歷同樣處理之后手性則完全消失。可以看出，交聯(lián)固定之后的手性薄膜，其手性記憶能力得到了質(zhì)的提升。
圖3. 交聯(lián)固定的手性聚合物薄膜在受到溶劑(a)、熱(b)以及紫外光照(c)條件刺激時，手性記憶以及自修復過程。
該工作首次報道了在無手性源存在下，完全非手性體系中手性“開關(guān)”的構(gòu)建。微觀尺度的手性自修復思想為新型手性材料的發(fā)展增添了更多的可能性，并且這一先誘導后交聯(lián)的手性傳遞以及存儲方式將為多功能手性材料的設(shè)計提供新的思路。
展開 浙理工左彪、王新平教授與普林斯頓Priestley教授 ACS Nano: 通過調(diào)控分子相互作用和聚集態(tài)構(gòu)建高熱穩(wěn)定性聚合物薄膜
大多數(shù)聚合物的Tg處于室溫上下100 ℃范圍內(nèi)。低的Tg和高的β造成材料結(jié)構(gòu)對溫度敏感；小幅度溫度變化便會引起材料體積膨脹或收縮。如何提高聚合物材料的熱穩(wěn)定性是材料領(lǐng)域的重要科學問題。由于鍵能和分子間作用力是抵抗熱能（kT）影響的分子起源。因而，對于特定結(jié)構(gòu)的高分子，提升材料熱穩(wěn)定性的主要途徑在于提高分子間相互作用與堆砌密度。威斯康星大學Mark Ediger教授于2007年報道了利用氣相沉積制備具有超高熱穩(wěn)定性玻璃的方法（Science 2007, 315, 353）。沉積過程中，表面分子的高運動活性使分子更容易形成熱力學穩(wěn)定構(gòu)象，實現(xiàn)能量最小化和分子間作用最大化。與常規(guī)“液冷”法制得材料相比，超穩(wěn)玻璃密度增大2 %，Tg升高30 – 40 ℃，熱穩(wěn)定性增強。
浙江理工大學化學系左彪、王新平聯(lián)合普林斯頓大學Rodney Priestley教授提出了一種通過制備超高接枝密度聚合物分子刷（polymer brush）來增強高分子鏈有序性和分子間相互作用從而提升薄膜熱穩(wěn)定性的方法。聚合物分子刷是指將高分子鏈末端錨定在基底表面，形成的一類具有特殊組裝結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜。當分子鏈接枝密度（σ）大于2Rg-2（Rg為無擾鏈回轉(zhuǎn)半徑）時，分子鏈間的體積排斥迫使分子鏈伸展，形成類似刷子的取向形態(tài)。顯然，增大σ將減小分子鏈間距離，增加體系擁擠度。對于非晶態(tài)聚合物，σ存在一個理論最大值；此時高分子鏈采取全反式構(gòu)象，分子鏈緊密堆積形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。因此，通過制備接枝密度接近理論值的聚合物分子刷，有望獲得分子堆積密度高、相互作用強的高熱穩(wěn)定性聚合物薄膜。
盡管聚合物分子刷制備并非難事，超高接枝密度聚合物分子刷的合成仍面臨不少挑戰(zhàn)“Grafting-from”是制備分子刷的常用方法。
展開 《自然·化學》自組裝多孔薄膜用于高效有機小分子分離獲進展
這種材料相比于傳統(tǒng)的一維柔性聚合物材料有非常大的優(yōu)勢：第一，三維全共軛結(jié)構(gòu)使得這類材料在任何溶劑中不溶，且具有很高的熱穩(wěn)定性；第二，剛性骨架支撐起豐富的自組裝微孔，有利于溶劑的傳輸；最后，可通過化學手段對孔結(jié)構(gòu)或尺寸進行調(diào)控。然而其三維剛性結(jié)構(gòu)在解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，其不溶的特性也同時帶來了材料成膜困難的問題。因此，如何獲得高質(zhì)量的薄膜是解決這類材料在膜分離領(lǐng)域應用的關(guān)鍵一步。受一維聚合物表面聚合的啟發(fā)，該課題組在SiO2表面修飾初始聚合位點后進行表面聚合反應，通過精細控制表面修飾及聚合反應條件，獲得了平方厘米級的無缺陷薄膜并成功轉(zhuǎn)移至超濾膜多孔支撐層。分子截留測試表明，其對有機溶劑具有極高的穩(wěn)定性，在同等選擇性基礎(chǔ)上，過濾速度較目前商用的一維柔性聚合物薄膜高出兩個數(shù)量級。這一結(jié)果主要得益于這類材料永久性微孔結(jié)構(gòu)及高孔隙率，使其有望成為新一代高效膜分離材料。
國家納米中心博士梁斌和助理研究員王會為文章的共同第一作者；唐智勇、李連山為共同通訊作者。
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41557-018-0093-9
來源：國家納米科學中心
展開 英國圣安德魯斯大學Nature Communications: 柔性、超輕聚合物膜半導體激光器
Gather教授課題組通過一種簡單的制作方法得到了一種基于聚合物薄膜、無支撐和超薄的有機分布式反饋激光器。這種激光器不到500 nm，超輕（m/A<0.5gm-2），并擁有卓越的機械柔性。該成果以題為"Flexible and Ultra-Lightweight Polymer Membrane Lasers"發(fā)表在Nature Communications上。
【圖文導讀】
圖1. 薄膜激光器的制造和物理性質(zhì)
(a).圖示激光迭陣浸在水中；
(b).激光迭陣的組成；
(c).圖示浮膜
(d).浮膜圖;
(e).二階DFB激光薄膜的垂直激光發(fā)射；
(f).薄膜激光器圖；
圖2. 薄膜激光器的表征
(a).不同材料激光器的輸入-輸出性質(zhì)；
(b).基于F80.9BT0.1的薄膜激光器的發(fā)射光譜；
(c).光譜線寬vs器件輸入能量密度；
(d).近場和遠場發(fā)射；
圖3. 薄膜激光器紙幣安全上的應用
圖4. 薄膜激光器在可穿戴安全標簽上的應用
【小結(jié)】
在這個工作中，作者報道了通過一種簡單的制作方法，得到了一種基于聚合物薄膜、無支撐和超薄的有機分布式反饋激光器。這種激光器不到500 nm，超輕（m/A<0.5gm-2），并擁有卓越的機械柔性。
文獻鏈接：Flexible and Ultra-Lightweight Polymer Membrane Lasers(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03874-w)
展開 從紅外顯微鏡看聚合物薄膜的化學構(gòu)成
使用紅外顯微鏡表征聚合物薄膜的化學結(jié)構(gòu)
■ PerkinElmer, Inc. / Ian Robertson
引言
多層高分子膜在各行業(yè)中應用非常廣泛。其中一個主要用途是食品和消耗品的包裝材料。由于包裝膜需要滿足各種需求來保護其內(nèi)部的產(chǎn)品，所以多層膜通常結(jié)構(gòu)非常復雜。包裝材料必須能夠包裹住內(nèi)部的產(chǎn)品，有足夠的強度和密封能力，其生產(chǎn)必須機械化操作而且成本合理。對于食品包裝材料，還要能夠保護內(nèi)部的食品防止外界的環(huán)境對食品的質(zhì)量和安全造成影響，從而增加儲存時間。多層膜中的每一層膜都有不同阻隔作用以保護外界不同因素可能造成的影響，比如濕度、光、氧氣、微生物和其他化學物質(zhì)。總而言之，傳統(tǒng)的高分子材料例如PET、PE、PS 和PP 等都可以用作包裝材料。這些包裝材料中有很大一部分最后都被扔至垃圾場或者被回料加工廠回收。這些材料中很多都只能緩慢地生物降解或者不能被生物降解，對環(huán)境污染非常大。因此，使用很多可生物降解聚合物或可分解聚合物來做包裝材料成為了人們的關(guān)注點。生物基材料由部分可再生或全部可再生材料制成，例如纖維素、淀粉或聚乳酸。這些生物基塑料是可生物降解的，但并不是無條件的。在有水、二氧化碳和生物能量的情況下，可分解塑料能夠被微生物完全生物降解。這些環(huán)境友好材料將來的發(fā)展前景更加廣闊。
紅外顯微已經(jīng)成為表征多層聚合物膜結(jié)構(gòu)之最重要的一種技術(shù)了。紅外光譜能夠鑒別材料的結(jié)構(gòu)，而一臺紅外顯微鏡可以對最小10μm 的樣品進行分析，包括可以鑒別多層膜中每層膜的結(jié)構(gòu)。本文介紹了紅外顯微鏡在傳統(tǒng)多層膜和新型可分解材料上的應用。
聚合物多層膜的紅外顯微鏡分析
聚合物膜的紅外顯微分析可以使用透射或者ATR 技術(shù)。
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
【引言】
由于其多功能性和易加工性，現(xiàn)代電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備的熱管理應用迫切需要導熱但電絕緣的聚合物復合材料。然而，增強聚合物復合材料的導熱性通常以輕質(zhì)損失、柔韌性和電絕緣性的劣化為代價。本文報告了含有定向氮化硼納米片（BNNS）的先進聚合物納米復合材料，其表現(xiàn)出高導熱性，優(yōu)異的電絕緣性和出色的柔韌性。這些納米復合薄膜可以通過靜電紡絲聚合物/BNNS納米復合纖維，垂直折疊電紡納米復合纖維，經(jīng)壓制而構(gòu)建。納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內(nèi)導熱系數(shù)。此外，與原始聚合物相比，納米復合膜具有優(yōu)異的電絕緣性能，例如低的介電損耗，較高的電阻率和擊穿強度。在電源器件中證明了納米復合薄膜的強大熱管理能力，這表明了管理高功率密度電子設(shè)備的熱平面內(nèi)高導熱性的重要性。
【成果簡介】
導熱且電絕緣的聚合物材料已廣泛應用于發(fā)光二極管（LED）、集成電子器件、能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，軍事武器和航空航天工業(yè)中，以實現(xiàn)適當?shù)臒峁芾怼ｋS著電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備的快速性能演進，傳統(tǒng)的聚合物復合材料不能滿足熱管理的高要求。因為聚合物材料雖具有優(yōu)異的電絕緣性能，靈活性和設(shè)計自由度，但低固有導熱率限制了它們在熱管理中的適用性。因此，結(jié)合聚合物的優(yōu)點和填料的高導熱性的復合材料被認為是理想的解決方案。其中，六方氮化硼納米片（BNNS）由于具有超高導熱性，寬帶隙（約5.9 eV）和高縱橫比2D形態(tài)，是有前途的導熱填料。
展開 ：差異化聚合物斷鏈策略實現(xiàn)高品質(zhì)自支撐微腔激光陣列
近日，中國科學院化學研究所的趙永生團隊開發(fā)了一種差異化聚合物斷鏈策略實現(xiàn)自支撐微腔的一步加工。首先通過旋涂構(gòu)筑屬于同一類別但具有不同分子質(zhì)量（Mr）的兩種聚合物薄膜（上層高Mr膜，下層低Mr膜）。在電子束的作用下，不同Mr的聚合物鏈在電子束的作用下發(fā)生差異性的裂解。入射電子束在作用到聚合物和襯底時會在功能聚合物雙層中分別產(chǎn)生扇形前散射和半球形背散射電子。入射電子和前散射電子能量較高，可以使高Mr聚合物和低Mr聚合物都發(fā)生完全的鏈斷；而背散射電子能量較低，僅可以使低Mr的聚合物發(fā)生完全的鏈斷。因此，上下兩層聚合物薄膜的圖案分別由正向電子和反向電子的空間能量分布決定。由于背散射電子分布的范圍比入射電子范圍大，因此相比于高Mr上層膜更多的下層低Mr膜在顯影過程中被去除，最終形成具有底切結(jié)構(gòu)微盤，即自支撐型微腔（圖1）。
圖1 支撐型光學微腔的設(shè)計與構(gòu)筑：(a) 支柱支撐的微盤制備流程圖；(b, c) 大面積規(guī)整排列的微盤陣列；(d) 支撐型微盤腔陣列的側(cè)視圖
支撐結(jié)構(gòu)的可以有效減少微腔中的光向基底的耗散，因此該聚合物微盤腔表現(xiàn)出了高達1.92×105的品質(zhì)因子（Q）。通過在懸浮的微盤諧振腔中摻入有機染料，實現(xiàn)了低閾值激光（圖2）。該構(gòu)筑策略在材料成分和器件結(jié)構(gòu)等方面都具有很高的設(shè)計靈活性，可以實現(xiàn)多功能的自支撐型微激光器陣列。借助于優(yōu)異的材料相容性，他們通過將不同發(fā)光顏色的激光染料摻雜到自支撐微盤中得到了全光譜覆蓋激光陣列，該全色激光陣列可以用做激光顯示。此外，基于自支撐微盤腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性，他們設(shè)計了一個柔性的具有多重級聯(lián)加密功能的光子安全標簽。值得一提的是，他們所報道的支撐型微腔具有極高的基底兼容性，可以制備在多種基底表面上。
展開 ：差異化聚合物斷鏈策略實現(xiàn)高品質(zhì)自支撐微腔激光陣列
近日，中國科學院化學研究所的趙永生團隊開發(fā)了一種差異化聚合物斷鏈策略實現(xiàn)自支撐微腔的一步加工。首先通過旋涂構(gòu)筑屬于同一類別但具有不同分子質(zhì)量（Mr）的兩種聚合物薄膜（上層高Mr膜，下層低Mr膜）。在電子束的作用下，不同Mr的聚合物鏈在電子束的作用下發(fā)生差異性的裂解。入射電子束在作用到聚合物和襯底時會在功能聚合物雙層中分別產(chǎn)生扇形前散射和半球形背散射電子。入射電子和前散射電子能量較高，可以使高Mr聚合物和低Mr聚合物都發(fā)生完全的鏈斷；而背散射電子能量較低，僅可以使低Mr的聚合物發(fā)生完全的鏈斷。因此，上下兩層聚合物薄膜的圖案分別由正向電子和反向電子的空間能量分布決定。由于背散射電子分布的范圍比入射電子范圍大，因此相比于高Mr上層膜更多的下層低Mr膜在顯影過程中被去除，最終形成具有底切結(jié)構(gòu)微盤，即自支撐型微腔（圖1）。
圖1 支撐型光學微腔的設(shè)計與構(gòu)筑：(a) 支柱支撐的微盤制備流程圖；(b, c) 大面積規(guī)整排列的微盤陣列；(d) 支撐型微盤腔陣列的側(cè)視圖
支撐結(jié)構(gòu)的可以有效減少微腔中的光向基底的耗散，因此該聚合物微盤腔表現(xiàn)出了高達1.92×105的品質(zhì)因子（Q）。通過在懸浮的微盤諧振腔中摻入有機染料，實現(xiàn)了低閾值激光（圖2）。該構(gòu)筑策略在材料成分和器件結(jié)構(gòu)等方面都具有很高的設(shè)計靈活性，可以實現(xiàn)多功能的自支撐型微激光器陣列。借助于優(yōu)異的材料相容性，他們通過將不同發(fā)光顏色的激光染料摻雜到自支撐微盤中得到了全光譜覆蓋激光陣列，該全色激光陣列可以用做激光顯示。此外，基于自支撐微盤腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性，他們設(shè)計了一個柔性的具有多重級聯(lián)加密功能的光子安全標簽。值得一提的是，他們所報道的支撐型微腔具有極高的基底兼容性，可以制備在多種基底表面上。
展開 一種具有竹蓀生物仿生結(jié)構(gòu)的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
隨著輻射冷卻材料的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了多孔聚合物薄膜與傳統(tǒng)的冷卻材料相比它們的重量輕，柔韌性好，導熱性低。此外，多孔聚合物薄膜通過操縱孔徑和孔密度來控制傳熱的能力是一個關(guān)鍵優(yōu)勢。研究人員仍在探索如何優(yōu)化多孔聚合物輻射冷卻材料的孔徑和孔密度，以達到最佳的冷卻性能。
02
成果掠影
近期，復旦大學材料科學系膠體微球與涂料課題組武利民教授和游波教授針對開發(fā)具有低導熱性的柔性輻射冷卻材料取得最新進展。竹蓀屬鬼筆菌科，主要生長在中國四川，適宜生長溫度為20 ~ 23℃。其莖的表面有明顯的孔隙，在高倍顯微鏡下，很明顯這些大孔隙是由更小的亞微孔組成的(圖1) 。該團隊受其多層多孔生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種新型的hollow@porous輻射冷卻膜，該膜將中空微粒和多孔聚合物結(jié)合在一起。制備的hollow@porous柔性薄膜具有較高的太陽光反射率(93.7%)、較強的紅外發(fā)射率(89.1%)和超低的導熱系數(shù)(17.56 mW/mk)。實驗表明，在峰值太陽強度為980 W/m2時，所制備的冷卻器的日間冷卻性能顯著降低至17.4℃。此外，獨特的hollow@porous結(jié)構(gòu)還通過結(jié)合耐候性和自清潔特性加強了薄膜的長期耐用性，即使在惡劣的氣候條件下也能確保穩(wěn)定高效的輻射冷卻性能。輻射冷卻材料的進步為太陽能電池板、發(fā)動機部件、電子設(shè)備、新能源電池等的熱管理、節(jié)能和冷卻開辟了新的可能性。
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