華人科學家精細調控分子，有望革新柔性電子材料技術

太陽能電池可以是一片透明的薄膜。

圖 | 透明柔性太陽能電池示例

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 1,414 °C。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。

這正是刁瑩和她的團隊研究的方向。刁瑩目前是美國伊利諾伊大學助理教授，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。

圖 | 刁瑩（來源：University of Illinois at Urbana-Champaign)

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，「我們做的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。

「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。」刁瑩告訴 Deeptech。

列印報紙的時候，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

刁瑩獲得過許多榮譽。她在2016 年被評為《麻省理工科技評論》全球「35 歲以下科技創新的 35 人」（TR35）、2018 年又獲得了斯隆學者獎。

對她而言，最特殊的一個獎項，是 2018 年獲得的美國國家科學基金會的職業生涯獎（NSF CAREER Award）。這個獎的背後，是她一次艱辛的突破，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。

圖 | 刁瑩團隊關於 「動態模板」 的論文 發表在《自然通訊》上（來源：Nature Communication)

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。」刁瑩告訴 Deeptech。

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。」

刁瑩團隊的研究最終證明，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。

圖 | 靜態模板與動態模板(來源：受訪者）

好奇心與冒險

有機電子材料，是刁瑩從博士後才開始進入的領域。當時，她除了想挑戰新的領域，還有一個願望，就是跟隨鮑哲南這位優秀的科學家進行研究。

她回憶，自己花了整整三年才進入這個領域。

刁瑩提及在鮑哲南老師身邊的感受，「她不僅是一個非常有成就的科學家、創新家、還是一個非常好的人」。

她回憶，鮑老師從來不訓斥學生，而是時時想著怎麼幫助學生。「她會把學生的事業當成自己的事業。」導師身上這種可貴品質深深觸動了刁瑩。她說，「這一點我非常敬佩她，而且想要和她一樣。」

圖|刁瑩和學生一起開Party（來源：刁瑩研究小組官網）

刁瑩從 2015 年開始帶領自己的研究小組，官網封面來有自居裡夫人的話，「實驗室裡的科學家…… 也是一個被置於自然現象之前的孩子，這些自然現象給他 / 她留下的印象就像童話一樣」，「如果我看到我周圍有什麼重要的東西，那就是那種似乎堅不可摧的、類似於好奇心的冒險精神。」

從博士時期的藥物結晶轉向博士後的有機電子材料，這是她在科研領域的冒險。具體到科研態度上，她也覺得 「冒險精神」 很珍貴。

「不僅是說有一個問題我需要解決，而且需要有好奇心，如果一腦門想去解決問題的話，思維可能會局限在某個具體問題上。如果你有一些冒險精神，或者科學的好奇，有時候你會發現令人驚喜的結果。」

交叉學科的背景，以及科學上的好奇心，最近又帶來了新的突破。她的團隊發現一組不成功抗癌藥物的分子，可以被利用作為有機半導體。「當時我在看到分子的時候，突然間想到和有些電子材料比較像，我就想，它會不會是電子材料？」

圖 | 不同的分子結晶圖案（來源：刁瑩研究團隊官網）

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。

她 2016 年獲得 TR35 的研究突破是柔性太陽能電池。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主裝過程，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。」