仿生非对称纤维可控输运功能高分子为图案化表面

摘要

自然界中许多生物纤维表现出特殊浸润性,为设计和制造新型功能材料提供了许多重要的科学启示.课题组研究集中在利用非对称生物/仿生纤维的超浸润性,实现可控输运功能高分子为图案化表面.首先揭示了中国毛笔可控、高效输运低黏度液体的机制在于新生毛发的多尺度的非对称微观结构:新生毛发具有直径渐变的锥形结构,且表面覆盖有梯度排列的定向结构.这一独特结构导致了液体可以在毛发表面受拉普拉斯压力差、各向异性粘附力和重力的协同作用，并最终达到动态平衡，从而使得毛笔可以大量储存墨水，并实现可控输运。受此启发，以新生毛发为结构单元，发展了一种利用生物纤维可控输运液体为图案化纳米薄膜的新方法，实现高分子溶液在基底的微区锚定和限域铺展，有效调控微区限域内的高分子的取向，堆积和结晶行为，制备得到分辨率宽度在10微米、厚度在100纳米的图案化表面。以共扼高分子DPPDTT为例，成功制备得到大面积均匀且高度取向的DPPDTT聚合物纳米薄膜(微观结构为高度取向的纳米纤维状结构)，构筑的有机场效应晶体管器件(OFET)表现出显著提高的空穴迁移率(十倍优于旋涂法制备的OFET器件)。中国毛笔的这种可控液体输运性能的揭示将给功能高分子的限域可控输运及组装，以及高性能的有机功能器件(OSC，OFET，OLED等)的无模板印刷提供新的思路。