新型柔性材料有望革新電子材料技術

太陽能電池可以是一片透明的薄膜。

這種柔軟的太陽能電池，可以裝在車窗或者房屋的玻璃上。在炎熱的夏天，既能吸收紅外光，降低內部空間溫度，同時又可以發電。不過這種柔性電子材料，很難用傳統的蒸鍍製備方法實現。

以矽為例，它的熔點是1414℃。生產時，就要先升溫超過熔點，獲得單晶矽，再把單晶矽切分成小塊，組裝成電子元件。這是一種自上而下的生產方式，而且由於需要高溫環境，非常耗能。常見的3D列印，也離不開高溫環境，通常要加熱到幾百度。

如果換一種生產方式呢？像用墨水列印文字一樣，同樣用液體作為基底，把電子材料的分子列印成需要的結構。這就是溶液列印法，是「自下而上」的列印思路。要做到這一點，就需要對分子進行精細地控制。

目前美國伊利諾伊大學助理教授刁瑩和她領導的小組研究的方向就是：通過調控分子組裝過程，利用溶液法來列印電子材料。

流體控制技術：讓電子流動更高效

溶液列印不是一個新的技術，「我們到新的地方在於可以控制到納米甚至分子層面的結構。」對比普通的3D列印，只能控制到微米級別。「中國唐代已經有印刷術了。雖然不太像我們現在做的事情，但是基本的道理是一樣的。」刁瑩說。印刷報紙的時候，需要把墨水列印到想要的地方；列印電子材料，還要考慮到被列印材料裡面的結構是怎樣的。

分子層面的溶液列印，就是以有機溶液為載體，將分子列印成所需要的結構。這種方式，只需要20多度的室溫條件。因為是以溶液作為列印基底，利用對溶劑的流體控制，也很容易列印柔性材料。

電子材料對於結構的控制要求非常高。進入微觀層面，分子的結構、形態，即使微小的變化，都會對最終的材料性質產生影響，有時甚至是數量級的改變。如何精細地控制分子的結構？這就需要利用分子的自組裝特性。分子會依據其特性，自發地從無序變為有序，通過一些方式進行引導，就可以讓分子按需排列。

刁瑩實驗室最近的一個發現，是將原來捲曲的高分子結構拉平，從而實現更好的光電性能。共軛聚合物富含電子，單鍵和雙鍵交替，這是讓電能快速傳播的關鍵，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學應用潛力。但是也存在問題，這些聚合物的形態通常是扭曲，嚴重阻礙電荷傳輸。

施加巨大的壓力，或改變共軛聚合物的分子結構，雖然可讓其變得扁平，但這兩種方式都需要密集的勞動力，很難進行大規模量產。刁瑩團隊發現，在分子列印過程中，受到溶液流動體的引導，共軛聚合物的分子可以在一個特殊階段變成平面形狀，並在溶液沉澱後繼續保持這一形態。發現了這個機制後，刁瑩團隊希望能夠進一步研究它的普遍性，讓流體控制技術在溶液列印中更廣泛使用。

創新列印方式：動態模板

2018年，刁瑩經歷了一次艱辛的突破，她嘗試了新的研究概念——動態模板。她和團隊的夥伴們做了很長時間，最終證明了「動態模板」這一方法在分子溶液列印中的可行性。此前，在分子組裝中只有類似於「靜態模板」的技術。2014年的諾貝爾物理學獎頒給了藍光LED材料的三位研究者，其中一項突破就是採用了這種技術。製造藍光的LED材料缺乏單晶體底襯，研究者採用藍寶石作為底襯，設計出高序列的結構，從而控制藍光LED的材料有序生長。

「動態模板」的概念則受到了自然界生物礦物質合成的啟發。「我們觀察自然，被生物系統的方式所啟發。」刁瑩介紹到。但是不僅僅如此，這其實是一次逆向思維的過程。

刁瑩在博士期間的研究方向本是藥物結晶，但她卻被生物礦物質的形成機制所吸引。自然界的珍珠就是通過動態模板來實現離子組裝的。

高分子的動態模板本身非常無序，但是卻可以引導礦物質離子形成有序的結構。原因在於模板和聚集的礦物離子之間會彼此協同。離子會在模板附近形成凝聚層，動態模板也會調整自己，來適應離子所需要的結構。

在溶液列印中，刁瑩想尋找到更有效方法來組裝高分子，沿用已有的底襯設計思路非常困難。「高分子結構本身非常複雜，在生物礦物質合成的過程中，是高分子來組裝離子，在我們的系統中，需要組裝高分子，我就想，能不能用離子來組裝高分子。」

研究最終證明，通過動態模板技術，能夠列印出高度取向、高度結晶的聚合物薄膜。這項控制分子組裝的技術有廣泛使用的潛力。

製造未來的材料

刁瑩所帶領的研究小組，目標是理解基本分子組裝過程，來控制列印材料的特性，最終為醫療設備、能源等領域提供節能高效的材料製造。

2016年，她在研究柔性太陽能電池方面取得突破。通過控制納米層面的結構，加快電荷的分離速率，從而提高光電轉化效率。2020年開始，她的團隊繼續之前的研究，從更微觀的分子層面來控制結構，進一步提高光電轉化效率。同時，她們也在研究如何控制分子的自組裝過程，讓列印出來的太陽能電池更加穩定。溶液列印速度快，又適合列印大面積的材料。她想通過自己的努力，讓這一列印方式有更廣泛的應用。

當初，她做出選擇，從藥物結晶領域轉到有機電子材料，就是希望能離可應用的技術近一些，想看到自己的研究對現實真正產生影響。目前，電子材料的主流製作方法還是蒸鍍。「蒸鍍的方式其實是很貴的，像我們買的智能手錶，顯示屏是最貴的原件。如果能用溶液列印的方法，可以大幅度降低成本。」

太陽能電池可以是一片透明的薄膜。

這種柔軟的太陽能電池，可以裝在車窗或者房屋的玻璃上。在炎熱的夏天，既能吸收紅外光，降低內部空間溫度，同時又可以發電。不過這種柔性電子材料，很難用傳統的蒸鍍製備方法實現。

以矽為例，它的熔點是1414℃。生產時，就要先升溫超過熔點，獲得單晶矽，再把單晶矽切分成小塊，組裝成電子元件。這是一種自上而下的生產方式，而且由於需要高溫環境，非常耗能。常見的3D列印，也離不開高溫環境，通常要加熱到幾百度。

如果換一種生產方式呢？像用墨水列印文字一樣，同樣用液體作為基底，把電子材料的分子列印成需要的結構。這就是溶液列印法，是「自下而上」的列印思路。要做到這一點，就需要對分子進行精細地控制。

目前美國伊利諾伊大學助理教授刁瑩和她領導的小組研究的方向就是：通過調控分子組裝過程，利用溶液法來列印電子材料。

流體控制技術：讓電子流動更高效

溶液列印不是一個新的技術，「我們到新的地方在於可以控制到納米甚至分子層面的結構。」對比普通的3D列印，只能控制到微米級別。「中國唐代已經有印刷術了。雖然不太像我們現在做的事情，但是基本的道理是一樣的。」刁瑩說。印刷報紙的時候，需要把墨水列印到想要的地方；列印電子材料，還要考慮到被列印材料裡面的結構是怎樣的。

分子層面的溶液列印，就是以有機溶液為載體，將分子列印成所需要的結構。這種方式，只需要20多度的室溫條件。因為是以溶液作為列印基底，利用對溶劑的流體控制，也很容易列印柔性材料。

電子材料對於結構的控制要求非常高。進入微觀層面，分子的結構、形態，即使微小的變化，都會對最終的材料性質產生影響，有時甚至是數量級的改變。如何精細地控制分子的結構？這就需要利用分子的自組裝特性。分子會依據其特性，自發地從無序變為有序，通過一些方式進行引導，就可以讓分子按需排列。

刁瑩實驗室最近的一個發現，是將原來捲曲的高分子結構拉平，從而實現更好的光電性能。共軛聚合物富含電子，單鍵和雙鍵交替，這是讓電能快速傳播的關鍵，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學應用潛力。但是也存在問題，這些聚合物的形態通常是扭曲，嚴重阻礙電荷傳輸。

施加巨大的壓力，或改變共軛聚合物的分子結構，雖然可讓其變得扁平，但這兩種方式都需要密集的勞動力，很難進行大規模量產。刁瑩團隊發現，在分子列印過程中，受到溶液流動體的引導，共軛聚合物的分子可以在一個特殊階段變成平面形狀，並在溶液沉澱後繼續保持這一形態。發現了這個機制後，刁瑩團隊希望能夠進一步研究它的普遍性，讓流體控制技術在溶液列印中更廣泛使用。

創新列印方式：動態模板

2018年，刁瑩經歷了一次艱辛的突破，她嘗試了新的研究概念——動態模板。她和團隊的夥伴們做了很長時間，最終證明了「動態模板」這一方法在分子溶液列印中的可行性。此前，在分子組裝中只有類似於「靜態模板」的技術。2014年的諾貝爾物理學獎頒給了藍光LED材料的三位研究者，其中一項突破就是採用了這種技術。製造藍光的LED材料缺乏單晶體底襯，研究者採用藍寶石作為底襯，設計出高序列的結構，從而控制藍光LED的材料有序生長。

「動態模板」的概念則受到了自然界生物礦物質合成的啟發。「我們觀察自然，被生物系統的方式所啟發。」刁瑩介紹到。但是不僅僅如此，這其實是一次逆向思維的過程。

刁瑩在博士期間的研究方向本是藥物結晶，但她卻被生物礦物質的形成機制所吸引。自然界的珍珠就是通過動態模板來實現離子組裝的。

高分子的動態模板本身非常無序，但是卻可以引導礦物質離子形成有序的結構。原因在於模板和聚集的礦物離子之間會彼此協同。離子會在模板附近形成凝聚層，動態模板也會調整自己，來適應離子所需要的結構。

在溶液列印中，刁瑩想尋找到更有效方法來組裝高分子，沿用已有的底襯設計思路非常困難。「高分子結構本身非常複雜，在生物礦物質合成的過程中，是高分子來組裝離子，在我們的系統中，需要組裝高分子，我就想，能不能用離子來組裝高分子。」

研究最終證明，通過動態模板技術，能夠列印出高度取向、高度結晶的聚合物薄膜。這項控制分子組裝的技術有廣泛使用的潛力。

製造未來的材料

刁瑩所帶領的研究小組，目標是理解基本分子組裝過程，來控制列印材料的特性，最終為醫療設備、能源等領域提供節能高效的材料製造。

2016年，她在研究柔性太陽能電池方面取得突破。通過控制納米層面的結構，加快電荷的分離速率，從而提高光電轉化效率。2020年開始，她的團隊繼續之前的研究，從更微觀的分子層面來控制結構，進一步提高光電轉化效率。同時，她們也在研究如何控制分子的自組裝過程，讓列印出來的太陽能電池更加穩定。溶液列印速度快，又適合列印大面積的材料。她想通過自己的努力，讓這一列印方式有更廣泛的應用。

當初，她做出選擇，從藥物結晶領域轉到有機電子材料，就是希望能離可應用的技術近一些，想看到自己的研究對現實真正產生影響。目前，電子材料的主流製作方法還是蒸鍍。「蒸鍍的方式其實是很貴的，像我們買的智能手錶，顯示屏是最貴的原件。如果能用溶液列印的方法，可以大幅度降低成本。」