透明柔性太阌甉|CZ
太阳能电池可以是一片透明的薄膜?/span>
q种柔Y的太阌甉|Q可以装在RH或者房屋的ȝ上。在炎热的夏天，既能吸收U外光，降低内部I间温度Q同时又可以发电?/span>
不过q种柔性电子材料，很难用传l的蒔R制备Ҏ(gu)实现?/span>
以硅ZQ它的熔Ҏ(gu) 1,4140C。生产时Q就要先升温过熔点Q获得单晶硅Q再把单晶硅切分成小块，l装成电子元件?/span>
q是一U自上而下的生产方式。而且׃需要高温环境，非常耗能。常见的3D打印Q也M开高温环境Q通常要加热到几百度?/span>
如果换一U生产方式呢Q像用墨水打印文字一P同样用液体作为基底，把电子材料的分子打印成需要的l构。这是溶液打印法，是“自下而上”的打印思\?/span>
要做到这一点，需要对分子q行_地控制?/span>
q正是刁?/span>Q清华大学化工系2002U本U）和她的团队研I的方向。刁莹目前是国伊利Z大学助理教授Q她领导的小l研I的方向是Q通过调控分子l装q程Q利用溶液法来打印电子材料?/span>
刁莹Q?/span>来源Q?/span>University of Illinois at Urbana-Champaign)
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U米甚至分子层面的结构。”对比普通的3D打印Q只能控制到微米U别?/span>
“唐代已l有印刷术了。虽然不太像我们现在做的事情Q但是基本的道理是一L。”刁莹告?Deeptech?/span>
打印报纸的时候，需要把墨水打印到想要的地方Q打印电子材料，q要考虑到被打印材料里面的结构是怎样的?/span>
分子层面的溶液打华ͼ是以有机溶液ؓ载体Q将分子打印成所需要的l构。这U方式，只需?0多度的室温条件。因为是以溶液作为打印基底，利用Ҏ(gu)剂的体控制Q也很容易打印柔性材料?/span>
电子材料对于l构的控制要求非帔R。进入微观层面，分子的结构、Ş态，即微小的变化，都会Ҏ(gu)l的材料性质产生影响Q有时甚x数量U的改变?/span>
如何_地控制分子的l构Q这需要利用分子的自组装特性。分子会依据其特性，自发C无序变ؓ有序Q通过一些方式进行引|可以让分子按需排列?/span>
刁莹实验室最q的一个发玎ͼ是将原来h的高分子l构拉^Q从而实现更好的光电性能?/span>
扭曲的聚合物形成螺旋Q可通过印刷压qI来源Q?/span>eurekalertQ?/span>
p聚合物富含电子，单键和双键交替，q是让电能快速传播的关键Q因此共轭聚合物h很大的电气光学应用潜力。但是也存在问题Q这些聚合物的Ş态通常是扭Ԍ严重ȝ电荷传输?/span>
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qI但这两种方式都需要密集的力_力，很难q行大规模量产?/span>
刁莹团队发现Q在分子打印q程中，受到溶液动体的引导Q共轭聚合物的分子可以在一个特D阶D变成^面ŞӞq在溶液沉淀(wn)后l保持这一形态?/span>
发现了这个机制后Q刁莹团队希望能够进一步研I它的普遍性，让流体控制技术在溶液打印中更q泛使用?/span>
创新打印方式Q动态模?/span>
刁莹获得q许多荣誉。她?016q被评ؓ《麻省理工科技评论》全球?5岁以下科技创新?5人”（TR35Q?018q又获得了斯隆学者奖?/span>
对她而言Q最Ҏ(gu)的一个奖，?018q获得的国国家U学基金会的职业生奖（NSF CAREER AwardQ。这个奖的背后，是她一ơ艰辛的H破Q她试了新的研I概念——动态模ѝ?/span>
她和团队的伙伴们做了很长旉Q最l证明了“动态模李쀝这一Ҏ(gu)在分子溶液打C的可行性?/span>
刁莹团队关于“动态模李쀝的论文发表在《自焉讯》上Q来源：Nature Communication)
此前Q在分子l装中只有类g“静态模李쀝的技术?014 q的物理学奖颁l了蓝光LED材料的三位研I者，其中一突破就是采用了q种技术?/span>
刉蓝光的LED材料~Z单晶体底衬，研究者采用蓝宝石作ؓ底衬Q设计出高序列的l构Q从而控制蓝光LED的材料有序生ѝ?/span>
“动态模李쀝的概念则受C自然界生物矿物质合成的启发。“我们观察自Ӟ被生物系l的方式所启发。”刁莹告?Deeptech?/span>
但是不仅仅如此，q其实是一ơ逆向思维的过E?/span>
刁莹在博士期间的研究方向本是药物l晶Q但她却被生物矿物质的Ş成机制所吸引。自然界的珍珠就是通过动态模板来实现dl装的?/span>
高分子的动态模板本w非常无序，但是却可以引导矿物质d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。离子会在模杉KqŞ成凝聚层Q动态模板也会调整自己，来适应d所需要的l构?/span>
在溶液打CQ刁Ҏ(gu)L到更有效Ҏ(gu)来组装高分子Q沿用已有的底衬设计思\非常困难?/span>
“高分子l构本n非常复杂Q在生物矿物质合成的q程中，是高分子来组装离子，在我们的pȝ中，需要组装高分子Q（我）想Q能不能用离子来l装高分子。?/span>
刁莹团队的研I最l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Ҏ(gu)制分子组装的技术有q泛使用的潜力?/span>
静态模板与动态模?来源Q受访者）
好奇心与冒险
有机电子材料Q是刁莹从博士后才开始进入的领域。当Ӟ奚w了想挑战新的领域Q还有一个愿望，是跟随鲍哲南这位优U的科学家q行研究?/span>
她回忆，自己׃整整三年才进入这个领域?/span>
刁莹提及在鲍哲南老师w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h”?/span>
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q事业。”导师n上这U可贵品质深p动了刁莹。她_“这一Ҏ(gu)非常敬佩她，而且惌和她一栗?/span>
刁莹和学生一起开PartyQ来源：刁莹研究组官网Q?/span>
刁莹?015q开始带领自q研究组Q官|封面来有自居里夫h的话Q“实验室里的U学家……也是一个被|于自然现象之前的孩子，q些自然现象l他/她留下的印象像童话一样”，“如果我看到我周围有什么重要的东西Q那是那种g坚不可摧的、类g好奇心的冒险_。?/span>
从博士时期的药物l晶转向博士后的有机电子材料Q这是她在科研领域的冒险。具体到U研态度上，她也觉得“冒险精”很珍贵?/span>
“不仅是说有一个问题我需要解冻I而且需要有好奇心，如果一脑门惛_解决问题的话Q思维可能会局限在某个具体问题上。如果你有一些冒险精，或者科学的好奇Q有时候你会发Co人惊喜的l果。?/span>
交叉学科的背景，以及U学上的好奇心，最q又带来了新的突破。她的团队发Cl不成功抗癌药物的分子，可以被利用作为有机半g。“当时我在看到分子的时候，H然间想到和有些电子材料比较像，我就惻I它会不会是电子材料？?/span>
不同的分子结晶图案（来源Q刁莹研I团队官|）
刉未来的材料
刁莹所带领的研I小l，目标是理解基本分子组装过E，来控制打印材料的Ҏ(gu)，最lؓȝ讑֤、能源等领域提供节能高效的材料制造?/span>
?016q获?TR35的研I突破是柔性太阌甉|。通过控制U米层面的结构，加快电荷的分速率Q从而提高光电{化效率?/span>
2020q开始，她的团队l箋之前的研IӞ从更微观的分子层面来控制l构Q进一步提高光电{化效率。同Ӟ她们也在研究如何控制分子的自主装q程Q让打印出来的太阌甉|更加E_?/span>
溶液打印速度快，又适合打印大面U的材料。她想通过自己的努力，让这一打印方式有更q泛的应用?/span>
当初Q她做出选择Q从药物l晶领域转到有机电子材料Q就是希望能d应用的技术近一些，想看到自q研究对现实真正生媄响。目前，电子材料的主制作方法还是蒸镀?/span>
“蒸镀的方式其实是很贵的，像我们买的智能手表，昄屏是最늚原g。如果能用溶液打印的Ҏ(gu)Q可以大q度降低成本。?/span>
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