胶体材料印刷技术的新进展：全光学可重构印刷

近十年来，胶体材料的化学合成工艺获得迅速的发展，各种材料、尺寸、形貌的胶体材料在原子尺寸精度上实现了精确控制，胶体材料在电学、光学、磁学各方面也实现了有效的调控。但是，胶体材料在光电功能器件方面的应用却仍然有待发掘，其主要制约因素在于，化学合成的胶体材料一般都分散在水溶液中，制备胶体功能器件首先需要实现胶体材料从溶液态向固相衬底转移。目前胶体材料的印刷技术包括自组装法、Ink-jet印刷法、光学印刷法等。其中光学印刷可以实现单颗粒精度的高分辨可控性液-固转移。然而，该技术主要利用传统的光镊技术，依赖于高度聚焦的高能激光束，对胶体材料及其表面的化学物质容易造成损伤。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的郑跃兵（点击查看介绍）研究团队开发了一种全新的光学印刷技术。与传统的光学作用力不同，该技术利用微流体系中不同离子在温度梯度场中定向迁移产生的热电场和纳米胶束颗粒的空乏作用力，实现了对胶体材料的低功率操控和可逆性印刷。

在该技术的研究中，郑跃兵教授研究团队将胶体溶液置于一块金薄膜上并在胶体溶液中加入一定浓度的氯化钠（NaCl）和一种阳性表面活性剂——十六烷基三甲基氯化铵（CTAC），该表面活性剂分子可包覆于胶体材料表面使其带正电荷。CTAC分子可在临界胶束浓度（~0.13 mM）以上自组装成半径约3 nm的带电纳米胶束颗粒。如图1a所示，金膜在激光的照射下具有很高的光热转换效率，产生温度梯度场，Na离子和Cl离子在温度梯度驱使下产生不同的离子浓度梯度，即所谓的塞贝克效应，从而产生从冷指向热方向的热电场。胶体材料和CTAC胶束在电场力的驱动下向激光加热源迁移，两者之间由于电性相同彼此排斥，从而实现力学平衡。激光束可将胶体材料俘获于金膜表面热点处进行光学操控，在此基础上提高激光功率，增强CTAC胶束的空乏作用，使CTAC胶束迁移至胶体材料和衬底的界面区域以外，从而对胶体材料施加渗透压，即所谓的空乏相互作用力，最终实现胶体材料的光学印刷（图1b）。该研究团队利用聚苯乙烯（PS）小球进行演示，将1微米和500纳米的PS小球印刷在衬底上，分别形成TMI（Texas Materials Institute）图案和一个3×3的阵列（图1c-d）。

图1. 可逆光电印刷技术的工作原理

此外，在胶体材料的印刷中，可逆性操控是一个难以攻克的问题。一般的印刷技术是依靠胶体材料和衬底之间的范德华力实现印刷功能，因此一旦图案形成就无法修正。郑跃兵教授带领的研究团队发现，通过调控空乏作用力和CTAC胶束与胶体材料静电排斥力间的平衡，可以将印刷的胶体材料从衬底上擦除重写，即所谓的可重构印刷。如图2a所示，他们通过移动激光束将俘获的CTAC胶束再次迁移至胶体-衬底界面处，可增强其静电排斥力，将已印刷的PS小球重新分散到溶液中，同时，激光束可再次俘获PS小球在新的目标位置实现印刷（图2b）。

图2. 胶体材料的可重构印刷

该研究团队认为，低功率、可重构的全光学印刷是胶体材料印刷技术的重要进展，可以推动胶体材料在功能光电器件中的广泛应用，为胶体功能器件的研究和开发提供重要的途径。这一成果近期发表于Chemical Communications 上，文章的第一作者是课题组成员林琳涵和彭小磊。

该论文作者为：Linhan Lin, Xiaolei Peng, Yuebing Zheng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Reconfigurable opto-thermoelectric printing of colloidal particles

Chem. Commun., 2017, 53, 7357, DOI: 10.1039/C7CC03530F

导师介绍

郑跃兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/38310

课题组主页

http://zheng.engr.utexas.edu/