分子层面控制材料，3D打印有望革新柔性电子制造技术

来源：DeepTech深科技

太阳能电池可以是一片透明的薄膜。

透明柔性太阳能电池示例

这种柔软的太阳能电池，可以装在车窗或者房屋的玻璃上。在炎热的夏天，既能吸收红外光，降低内部空间温度，同时又可以发电。

不过这种柔性电子材料，很难用传统的蒸镀制备方法实现。

以硅为例，它的熔点是 1,414 °C。生产时，就要先升温超过熔点，获得单晶硅，再把单晶硅切分成小块，组装成电子元件。

这是一种自上而下的生产方式。而且由于需要高温环境，非常耗能。常见的 3D 打印，也离不开高温环境，通常要加热到几百度。

如果换一种生产方式呢？像用墨水打印文字一样，同样用液体作为基底，把电子材料的分子打印成需要的结构。这就是溶液打印法，是 “自下而上” 的打印思路。

要做到这一点，就需要对分子进行精细地控制。

这正是刁莹和她的团队研究的方向。刁莹目前是美国伊利诺伊大学助理教授，她领导的小组研究的方向就是：通过调控分子组装过程，利用溶液法来打印电子材料。

流体控制技术：让电子流动更高效

溶液打印不是一个新的技术，“我们做的新的地方在于可以控制到纳米甚至分子层面的结构。”对比普通的 3D 打印，只能控制到微米级别。

“唐代已经有印刷术了。虽然不太像我们现在做的事情，但是基本的道理是一样的。”刁莹说。

打印报纸的时候，需要把墨水打印到想要的地方；打印电子材料，还要考虑到被打印材料里面的结构是怎样的。

分子层面的溶液打印，就是以有机溶液为载体，将分子打印成所需要的结构。这种方式，只需要 20 多度的室温条件。因为是以溶液作为打印基底，利用对溶剂的流体控制，也很容易打印柔性材料。

电子材料对于结构的控制要求非常高。进入微观层面，分子的结构、形态，即使微小的变化，都会对最终的材料性质产生影响，有时甚至是数量级的改变。

如何精细地控制分子的结构？这就需要利用分子的自组装特性。分子会依据其特性，自发地从无序变为有序，通过一些方式进行引导，就可以让分子按需排列。

刁莹实验室最近的一个发现，是将原来卷曲的高分子结构拉平，从而实现更好的光电性能。

共轭聚合物富含电子，单键和双键交替，这是让电能快速传播的关键，因此共轭聚合物具有很大的电气光学应用潜力。但是也存在问题，这些聚合物的形态通常是扭曲，严重阻碍电荷传输。

施加巨大的压力，或改变共轭聚合物的分子结构，虽然可让其变得扁平，但这两种方式都需要密集的劳动力，很难进行大规模量产。

刁莹团队发现，在分子打印过程中，受到溶液流动体的引导，共轭聚合物的分子可以在一个特殊阶段变成平面形状，并在溶液沉淀后继续保持这一形态。

发现了这个机制后，刁莹团队希望能够进一步研究它的普遍性，让流体控制技术在溶液打印中更广泛使用。

创新打印方式：动态模板

刁莹获得过许多荣誉。她在2016 年被评为《麻省理工科技评论》全球“35 岁以下科技创新的 35 人”（TR35）、2018 年又获得了斯隆学者奖。

对她而言，最特殊的一个奖项，是 2018 年获得的美国国家科学基金会的职业生涯奖（NSF CAREER Award）。这个奖的背后，是她一次艰辛的突破，她尝试了新的研究概念——动态模板。

她和团队的伙伴们做了很长时间，最终证明了 “动态模板” 这一方法在分子溶液打印中的可行性。

刁莹团队关于 “动态模板” 的论文 发表在《自然通讯》上

此前，在分子组装中只有类似于”静态模板”的技术。2014 年的诺贝尔物理学奖颁给了蓝光 LED 材料的三位研究者，其中一项突破就是采用了这种技术。

制造蓝光的 LED 材料缺乏单晶体底衬，研究者采用蓝宝石作为底衬，设计出高序列的结构，从而控制蓝光 LED 的材料有序生长。

“动态模板”的概念则受到了自然界生物矿物质合成的启发。“我们观察自然，被生物系统的方式所启发。”刁莹说。

但是不仅仅如此，这其实是一次逆向思维的过程。

刁莹在博士期间的研究方向本是药物结晶，但她却被生物矿物质的形成机制所吸引。自然界的珍珠就是通过动态模板来实现离子组装的。

高分子的动态模板本身非常无序，但是却可以引导矿物质离子形成有序的结构。原因在于模板和聚集的矿物离子之间会彼此协同。离子会在模板附近形成凝聚层，动态模板也会调整自己，来适应离子所需要的结构。

在溶液打印中，刁莹想寻找到更有效方法来组装高分子，沿用已有的底衬设计思路非常困难。

“高分子结构本身非常复杂，在生物矿物质合成的过程中，是高分子来组装离子，在我们的系统中，需要组装高分子，（我）就想，能不能用离子来组装高分子。”

刁莹团队的研究最终证明，通过动态模板技术，能够打印出高度取向、高度结晶的聚合物薄膜。这项控制分子组装的技术有广泛使用的潜力。

静态模板与动态模板

好奇心与冒险

有机电子材料，是刁莹从博士后才开始进入的领域。当时，她除了想挑战新的领域，还有一个愿望，就是跟随鲍哲南这位优秀的科学家进行研究。

她回忆，自己花了整整三年才进入这个领域。

刁莹提及在鲍哲南老师身边的感受，“她不仅是一个非常有成就的科学家、创新家、还是一个非常好的人”。

她回忆，鲍老师从来不训斥学生，而是时时想着怎么帮助学生。“她会把学生的事业当成自己的事业。”导师身上这种可贵品质深深触动了刁莹。她说，“这一点我非常敬佩她，而且想要和她一样。”

刁莹从 2015 年开始带领自己的研究小组，官网封面来有自居里夫人的话，“实验室里的科学家…… 也是一个被置于自然现象之前的孩子，这些自然现象给他 / 她留下的印象就像童话一样”，“如果我看到我周围有什么重要的东西，那就是那种似乎坚不可摧的、类似于好奇心的冒险精神。”

从博士时期的药物结晶转向博士后的有机电子材料，这是她在科研领域的冒险。具体到科研态度上，她也觉得 “冒险精神” 很珍贵。

“不仅是说有一个问题我需要解决，而且需要有好奇心，如果一脑门想去解决问题的话，思维可能会局限在某个具体问题上。如果你有一些冒险精神，或者科学的好奇，有时候你会发现令人惊喜的结果。”

交叉学科的背景，以及科学上的好奇心，最近又带来了新的突破。她的团队发现一组不成功抗癌药物的分子，可以被利用作为有机半导体。“当时我在看到分子的时候，突然间想到和有些电子材料比较像，我就想，它会不会是电子材料？”

不同的分子结晶图案

制造未来的材料
刁莹所带领的研究小组，目标是理解基本分子组装过程，来控制打印材料的特性，最终为医疗设备、能源等领域提供节能高效的材料制造。

她 2016 年获得 TR35 的研究突破是柔性太阳能电池。通过控制纳米层面的结构，加快电荷的分离速率，从而提高光电转化效率。

2020 年开始，她的团队继续之前的研究，从更微观的分子层面来控制结构，进一步提高光电转化效率。同时，她们也在研究如何控制分子的自主装过程，让打印出来的太阳能电池更加稳定。

溶液打印速度快，又适合打印大面积的材料。她想通过自己的努力，让这一打印方式有更广泛的应用。

当初，她做出选择，从药物结晶领域转到有机电子材料，就是希望能离可应用的技术近一些，想看到自己的研究对现实真正产生影响。目前，电子材料的主流制作方法还是蒸镀。

“蒸镀的方式其实是很贵的，像我们买的智能手表，显示屏是最贵的原件。如果能用溶液打印的方法，可以大幅度降低成本。”