蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展_杨修远.pdf
《蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展_杨修远.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展_杨修远.pdf(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展杨修远1,姜泽超1,满兴坤1,2*1.北京航空航天大学物理学院,软物质物理及其应用研究中心,北京 1001912.北京航空航天大学彭桓武科教合作中心,北京 100191*通讯作者,E-mail:收稿日期:2022-12-02;接受日期:2023-01-17;网络版发表日期:2023-03-31国家自然科学基金中国以色列国际合作与交流项目(编号:21961142020)、国家自然科学基金(编号:21822302)、中央高校基本科研业务费(编号:YWF-22-K-101)和北京航空航天大学高性能计算中心资助项目摘要高分子薄膜在化工制造、绿色能源、材料、光电
2、以及生命科学等领域有着重要的应用.溶剂蒸发作为高分子薄膜加工制备的重要手段,因其操作简单、成本较低和易于大规模制备的优点而被广泛应用和研究.本文综述了利用蒸发效应调控高分子溶液沉积图案、制备功能性高分子薄膜的研究进展,包括蒸发诱导高分子沉积图案的实际应用、基本原理和技术手段三个方面.本文旨在梳理该领域的各个研究方向及其相互联系,通过阐述溶剂蒸发对高分子沉积图案影响的机理为后续研究提供思路.此外,本综述简要总结了高分子溶液蒸发领域未解决的问题,并对未来发展方向进行了展望.关键词蒸发,液滴,高分子薄膜,沉积图案,界面1引言蒸发效应指的是利用溶剂蒸发诱导非挥发性溶质在基底上自组装成特定薄膜结构的实验
3、技术,也被称为蒸发刻印.相比于光刻、溶质气相沉积等传统刻印技术,蒸发刻印利用流场与界面的耦合作用,将溶质排列成具有特定结构和性能的薄膜材料,其操作简单且成本较低.当溶质是高分子时,利用胶体液滴或薄膜溶液的蒸发可以制备具有特定力学、电学、光学性能的薄膜结构13,以满足材料、化工、能源、光电以及生命科学等领域对功能高分子材料的特定需求.此外,蒸发刻印具有重复性高、可大规模制备的突出优势.近年来,研究人员通过对实验技术的设计与优化,实现了对部分高分子薄膜结构的精确控制和性能提升.相应的理论研究46主要致力于讨论蒸发条件对高分子在界面附近自组装行为的影响,以揭示不同沉积图案的形成机理,解释和预测实验现
4、象.本文分别从高分子薄膜的应用、蒸发效应的基本原理以及调控蒸发效应的实验手段三个方面介绍了近年来的相关研究进展.同时,基于现有的工作,进一步展望了溶剂蒸发制备高分子薄膜所面临的机遇和挑战.2溶剂蒸发制备的高分子薄膜的应用高分子溶液在衬底上蒸发完毕后,残留聚合物溶质会形成丰富的沉积图案.图1展示了不同蒸发实验引用格式:Yang X,Jiang Z,Man X.Research progress in the deposition pattern of evaporating polymer solution.Sci Sin Chim,2023,53:747761,doi:10.1360/SSC-
5、2022-0240 2023 中国科学杂志社中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期:747 761SCIENTIA SINICA C聚合物结构与性能专刊评 述中出现的沉积图案715,如胶体液滴蒸发后留下的各类环状沉积图案(图1ac,分别为咖啡环、多环、山形结构),薄膜刻印实验中产生的点状(图1d)、条状(图1e,f)沉积图案,以及非对称、非均匀的沉积图案(图1gi).由于聚合物本身结构和性能的多样性,使得此类利用蒸发制备的聚合物薄膜在功能材料、高性能器件以及生物医学检测等方面具有重要的应用.以下进行逐一介绍.利用含有导电溶质的胶体(高分子)液滴在透明衬底上蒸发形成的咖啡环结构,可以制
6、备替代昂贵氧化铟锡材料的透明导电薄膜(图2a)16;利用溶质分别为量子点、导电聚合物的二元液滴蒸发形成的均匀膜结构,可以实现3D打印有机发光二极管(图2b)17;通过在柔性基底上蒸发刻印导电聚合物溶液,可以制得同时具有拉伸和导电特性的薄膜材料.基于这些材料制作的光电管、场效应晶体管可以用于制备电子皮肤和柔性可延展电子器件.图2c展示了利用聚电解质液态金属溶液刻印制备的具有超可拉伸性(应变500%)的导电薄膜.利用这一材料制备的可以贴合皮肤表面的多层传感器(图2d)18,为可穿戴柔性器件的发展提供了新的可能.蒸发刻印还可以通过灵活调整蒸发过程制备出满足不同需求的沉积图案.比如不同器件对导电纳米线
7、的结构要求不同,对于底栅型薄膜晶体管,需要门线尽可能狭窄光滑,高通量电感器或互联导线则需要适当的螺距.基于蒸发刻印的连续喷墨打印法只需要调整喷头的高度和温度,就可以实现对纳米线宽度和形貌的调控,以满足特定器件的需求19.此外,可以通过多次刻印实现图案的排列组合得到更丰富的结构,最常见的是在衬底上反复刻印均匀薄膜,或沿着垂直方向刻印形成网格结构,进而用来制备大面积有机太阳能电板20.对蒸发诱导沉积图案的研究在生物医学领域也有很重要的应用.比如,利用液滴蒸发形成咖啡环的半径与溶质粒径的关系,可以实现混合溶液中不同尺寸颗粒的分离,如图2e所示.在生物医学领域,这一技术可以用于分离不同尺寸的蛋白质混合
8、物、微生物或哺乳动物的细胞21.此外,含有生物高分子的液滴蒸发后形成的沉积图案可以用于进行医学诊断.比如,结构蛋白的相互作用会诱导产生复杂的特征结构,从而用于对白血病、贫血、B型病毒肝炎、结核病和黄疸等疾病进行早期的筛查13.图2f展示了血液蒸发后留下的沉积图案,其中树枝状的沉积标志着黄疸疾病的存在22.综上,蒸发形成的具有不同结构的高分子薄膜在各领域都有着广泛的应用.然而,要实现对蒸发薄膜结构的精确控制,提升器件性能或实现特定的功能,需要掌握蒸发诱导技术的基本原理,以及理解决定最终沉积结构的关键物理因素.这部分内容将在下一节进行简要介绍.3蒸发刻印技术的基本原理在蒸发刻印过程中,蒸发令液滴/
9、薄膜内部产生宏观流场,使得溶质在空间中重新分布.当溶剂蒸发完毕时,在界面上形成丰富的沉积图案.可以看出,不同沉积图案的形成与刻印过程中溶剂蒸发动力学有着密切的关系.因此,理解溶剂在不同实验条件下的蒸发行为,对于控制和设计高分子薄膜的结构具有重要意义.本节从液滴体系出发,基于本课题组6,23,24近几年的理论研究,分别介绍毛细作用、蒸发速率、马兰戈尼流动以及接触线耗散对液滴蒸发动力学行为的影响.通图 1高分子溶液蒸干后在衬底上留下的各类沉积图案.(a)咖啡环;(b)多环;(c)山形沉积;(d)点状沉积;(e,f)垂直/平行于刻印方向(红色箭头)的条状沉积;(g,h)蛛网/树枝状等非对称沉积;(i
10、)蒸发诱导的聚合物结晶715(网络版彩图)Figure 1Various deposition patterns left on the substrate after thedrying of polymer solution.(a)Coffee ring;(b)multiring;(c)mountain-like pattern;(d)dot-like pattern;(e,f)vertical/parallel stripe;(g,h)cobweb/branch asymmetric pattern;(i)evaporation-induced polymercrystal 715(co
11、lor online).杨修远等:蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展748过定义基于具体实验条件的唯象系数(kev,kT,kcl),讨论蒸发过程中,不同效应对液滴形貌动态演化的影响,并依此解释各类环状沉积图案的形成机制.界面张力差异产生的毛细力会令液滴在衬底上发生铺张或收缩.当液滴形貌满足杨氏方程SV=SL+LVcose时,固气(SV)、固液(SL)、液气(LV)界面的表面张力相互抵消,液滴形貌达到平衡,此时液滴的接触角称为平衡接触角e.根据平衡接触角的大小,可以将液滴的浸润性分为亲水(e90)两大类,特别的,e=0的情况称为完全浸润.然而液滴蒸发会让这一问题变得复杂,即接触角会偏离平
12、衡接触角e,从而产生不同方向的毛细力:当e时,毛细力向外,促进接触线铺张,接触角减小.当浸润性较好时(较小),理论指出24,25,毛细作用对接触半径变化率的影响随着偏离接触角的增加而增大(R C(2e2).对于完全浸润的情况,毛细力将始终诱导液滴内部产生向外的宏观流场,促进液滴铺展,称为“毛细润湿”效应(图3a).在无蒸发极限下,Tanner定律指出,液滴半径R随时间存在Rt0.1的幂律关系,液滴最终将形成一层液膜覆盖在基底表面.存在蒸发时,液滴将展现出不同的动力学行为.文献26通过数值求解溶剂分子在气相的扩散方程,指出在亲水条件下,固着液滴的蒸发速率具有J r()r(1)20.5的形式,即边
13、缘蒸发快,中心蒸发慢,其中r为到液滴中心的标度距离.这种非均匀的蒸发分布,倾向于在边缘处移除更多的液体,从而减少液滴的接触半径并增大接触角,称为“蒸发收缩”效应(图3b).当“蒸发收缩”与“毛细润湿”效应相互平衡时,液滴会展现非零的伪平衡接触角(app),即接触角在蒸发过程中会有一段时间内几乎保持不变.文献24定量计算了不同蒸发条件下,液滴接触角随时间的动力学演化,如图4所示.其中唯象系数kev描述的是蒸发与毛细作用的相对强弱,kev越大代表蒸发效应越显著,可以看出app的数值随着蒸发效应的增强而增大,且与kev存在k appev1/4的幂次关系.蒸发过程液滴内部的马兰戈尼流动(图3c)也会对
14、液滴的形貌演化产生影响.理论表明,向内的马兰戈尼图 2蒸发诱导高分子薄膜的具体应用.(a)利用咖啡环结构制备的透明导电薄膜;(b)利用多层均匀膜结构制备3D发光二极管;(c)蒸发刻印制备柔性导电薄膜示意图;(d)利用溶液刻印法制备的柔性电子传感器;(e)利用咖啡环效应分离不同尺寸的溶质;(f)血液蒸发中的裂纹结构用于判断黄疸疾病的存在1620,标尺为1 mm(网络版彩图)Figure 2Applications of evaporation-induced polymer thin film.(a)Transparent conductive coating fabricated by usi
15、ng the coffee-ring pattern.(b)Using multi-layer uniform thin film to fabricate 3D LED.(c)Schematic of meniscus-guided printing and conductive thin film.(d)Flexible electronicsensors made by solution process.(e)Separation of different sized inclusion using coffee ring formation.(f)Cracked patterns in
16、 dried blood dropletsindicate the existence of jaundice 1620.The scale bar is 1 mm(color online).中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期749流会在液滴内部产生指向液滴中心的宏观流场,从而令接触线收缩,接触角增加;向外的马兰戈尼流动则正好相反.在完全浸润条件下,蒸发使得液滴表面温度不均,进而导致热马兰戈尼流的产生.当衬底与溶液热导率比值R大于2时,向内的马兰戈尼流动会增加app,而当R小于2时,向外的马兰戈尼流则会令app减小,如图5a所示.对于双组分液滴23,马兰戈尼流的产生主要源于不同
17、组分蒸发速率存在差异,从而诱导液滴产生表面张力梯度.图5b计算了放置在完全浸润衬底上蒸发的双组分液滴在相对湿度(RH)不同时,接触角随时间的演化.由于组分浓度的非线性变化,接触角会产生不同的复杂演化模式,如先减小-再增大-再减小.当毛细作用、蒸发作用、马兰戈尼流动相互平衡时,接触角还会产生短暂的峰值(pk)或平台(app).接触线的滑移能力是另一个影响液滴蒸发动力学演化的关键因素27.唯象参数kcl表征的是液滴接触线相对于衬底运动的耗散与内部流场耗散的相对大小.在实验上,这一参数往往与衬底的浸润性、缺陷或者具有表面活性的溶质有关.不同的kcl决定了液滴形貌在蒸发过程中不同的演化模式:当kcl较
18、大时,接触线在蒸发过程始终钉扎,液滴倾向于展现恒定接触半径(CCR)的演化模式(图6a);当k=0cl时,接触线可以在衬底上自由滑移,液滴趋向于表现出恒定接触角(CCA)演化模式;混合模式(先CCR后CCA)则对应kcl较为适中的情况(图6c),这一理论结果与现有实验现象定性一致.高分子溶液蒸发时溶质的排布取决于溶剂的流动以及溶质在溶剂中的扩散.这两种效应的相对强弱可以用无量纲参数Pevl D=/来衡量,其中v代表流速,l是扩散的特征长度,D代表溶质在溶剂中的扩散系数.在液滴蒸发问题中,当Pe1(蒸发较快,溶质较大)时,扩散效应可以忽略,最终沉积的结构取决于蒸发过程中液滴内部的流场和接触线的运
19、动模式.利用基于昂图 3单组分液滴在完全浸润衬底上蒸发产生恒定伪平衡接触角app的示意图.蒸发过程中三种效应的影响:(a)毛细润湿效应令液滴铺展;(b)非均匀的蒸发速率令液滴收缩;(c)温度梯度诱导的热马兰戈尼流可以令液滴铺张(左)或收缩(右)24(网络版彩图)Figure 3Schematic of a single-component droplet evaporating on acompletely wetting substrate,where a pseudostable contact angle appappears.Three mechanisms causing this
20、phenomenon are schematicallysummarized.(a)Capillarywettingspreadsthedroplet;(b)nonuniform evaporation contracts the droplet;(c)TM flow caneither spread(left)or contract(right)the droplet depending on thedirection of the TM flow 24(color online).图 4液滴在完全浸润衬底上.(a)接触角,(b)接触半径R在不同蒸发速率下随时间的演化,其中实线为理论得到ap
21、p解析表达式的计算结果,0为初始接触角,kev为蒸发速率24(网络版彩图)Figure 4Time evolution of(a)contact angle and(b)contact radius R for various evaporation rate when droplets evaporating in completely wettingconditions,which are compared with the analytical results of app(solid lines).0is the initial contact angle,kevis the evap
22、oration rate 24(coloronline).杨修远等:蒸发效应对高分子溶液沉积图案影响的研究进展750萨格变分原理的液滴蒸发模型,可以描述不同沉积图案形成的动力学过程以及最终沉积图案与实验条件的定量关系6.文献25研究了接触线移动能力kcl和蒸发速率kev对沉积图案的影响.图7a表明,蒸发速率相同时,接触线移动能力的增强会令沉积图案从咖啡环转变火山最后变为山形.其原因在于,当kcl较大时,接触线在蒸发过程中基本不变,溶质在向外流场的作用下在边缘聚集形成咖啡环;当接触线可以自由滑移时(k=0cl),溶质最终会聚集在液滴中心形成山形沉积.对于蒸发速率(kev)足够快的情况,模型指出,
23、沉积峰位置rP与接触线滑移能力存在rRkk=1+2()kp0clcl12 1+cl的关系,这一结论得到了实验验证.除了改变接触线滑移能力,文献28指出,对于含有表面活性剂的溶液,减小初始表面活性剂的浓度也可以实现沉积从咖啡环到火山再到山形的转变:表面活性剂的减少可以改变液/气界面的表面张力,同样达到促进接触线收缩的作用,具体的计算结果如图7b所示,其中为表面活性剂的初始浓度.多环沉积图案的形成取决于接触线的钉扎-滑移图 5(a)单组分和(b)双组分液滴在完全浸润衬底上蒸发时,接触角随时间的演化.其中,kT为热马兰戈尼流强度,R为衬底和溶液的相对热导率;RH为A组分的相对湿度23,24(网络版彩
24、图)Figure 5Time evolution of contact angle for the(a)single-component and(b)binary droplet drying on completely wetting substrates.kTis thestrength of Thermal Marangoni flow,Ris the relative heat conductivity between substrate and liquid,RH is the relative humidity for the volatilecomponent(A)23,24(c
25、olor online).图 6液滴在粗糙衬底上的蒸发.接触线完全钉扎时(kcl=1000)液滴形貌(a),半径r/r0和接触角(b)随时间的变化.接触线与衬底摩擦较小时(kcl=25)液滴形貌(c),接触半径r/r0与接触角(d)随时间的演化27(网络版彩图)Figure 6Droplet shape evolution on frictional substrate.(a)For pinned contact line motion with kcl=1000 and(b)its corresponding evolution of r/r0and.(c)The shape evoluti
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 蒸发 效应 高分子 溶液 沉积 图案 影响 研究进展 杨修远
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。