嵌段共聚物PS-b-P4VP的化学结构、制造过程以及各种组装过程。
eurekalert.org网站报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员发现了一种新方法，可以使自组装材料（嵌段共聚物）组成更加复杂的图案。这有望为材料设计开辟新视野。MIT材料科学与工程教授Alfredo Alexander-Katz、Caroline Ross和博士后研究人员Yi Ding等在《自然通讯》杂志发表了相关成果。Alexander-Katz说：“从某种意义上说，这是一个偶然的发现。很多人都认为这是不可能的，但我们确实发现了聚合物的非常规对称排列的自组装模式。”
自组装嵌段共聚物的链状分子最初是无序的，但随后它们会自发地排列成周期结构。研究人员发现，如果在基材上预制重复性线条或柱状图案，然后在基材表面形成嵌段共聚物薄膜，基材的图案就可以在嵌段共聚物中“重现”。然而，用这种方法只能制造出简单的图案。而在新方法中，可以出现两种不同的非匹配图案：一种是蚀刻在基材上的柱状/线条图案，另一种是自组装共聚物形成的固有图案。有的人可能会认为嵌段共聚物的排序会变得很差，但Alexander-Katz等的实验结果并非如此。Ross说：“相反，它正在形成一种更加复杂的图案。”Ross等发现，自组装共聚物中出现了一种与准晶体类似的重复模式——图案会重复出现，但重复间距更长。Ross说：“我们正在利用分子过程在嵌段共聚物材料表面实现这种类准晶体模式。”
Alexander-Katz等认为，这可能为制造具有定制特性的光学系统或等离子体器件打开了新思路。在等离子体器件中，电磁辐射以精确调谐的方式与电子产生共振，因此这种装置需要具备高精确度定位性和纳米级对称性。在新方法帮助下，这些苛刻的要求都可以被满足。Katherine Mizrahi Rodriguez在本科学习阶段参与过这个项目。她说，为了找到答案，研究团队制备了大量嵌段共聚物样品，并逐一在扫描电子显微镜下进行了观察和分析。由此，他们才最终发现了类似准晶体的奇特图案模式。Alexander-Katz解释说：“在自组装聚合物预期图案与模板图案之间产生了‘阻挫’。阻挫破坏了原有对称性，并促成了具有不同对称性的新子区域。这就是大自然的解决方案，为了适应两种模式之间的关系，第三种‘势力’异军突起。”Alexander-Katz将新发现的图案模式称为“超晶格”。
在创造出超晶格结构后，Alexander-Katz等利用建模解释了这个过程。论文合著者Karim Gadelrab博士说：“建模分析结果表明，超晶格模式在热力学上是稳定的，我们也掌握了其形成条件。”Ding补充说：“我们从热力学角度解读了超晶格系统。新方法使我们能够制造更精细的图案，并获得一些之前难以制造的新的对称性。”他认为，这有望突破光学和等离子体材料设计和制造中的限制。
目前，研究小组的工作还仅限于二维表面，他们非常希望能将其扩展到三维表面。Ross说：“三维制造是制造业的破局者。现有微型设备的制造只能通过层叠技术进行，如果我们能使用三维技术一次性制造出整个设备，制造效率将会显著提高。”
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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：唐林芳
期刊来源：《自然通讯》 期刊编号：2041-1723
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/miot-anw070319.php
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