纳米材料分子组装取得新突破:激光直写三维高定向碳管结构

三维微纳功能器件的制造是当前纳米科学技术领域中的一个关键性研究课题,同时也是众多新兴科技领域的基础,如微纳机电系统、生物医学工程、仿生体系统及微纳流体等。在当前各类微纳制造方法中,基于激光直写的双光子聚合光刻技术 (Two-photon polymerization, TPP),由于其具备任意三维空间的微纳制造能力和超高的空间分辨率而被认为是最富有发展前景的微纳制备技术之一。然而当前TPP光刻所用材料主要是树脂材料,其机械强度低,导电率差,功能性非常有限。另一方面,碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)因其卓越的机械、电学、热学、光学特性,是复合材料中最有前景的填充材料之一,其能有效地增强聚合物基体的机械、热、电等方面的性能。如何实现CNTs在任意三维空间的高定向组装,并构建多功能碳基三维微纳器件是当前极为重要却又长期悬而未决的课题。

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最近美国内布拉斯加林肯大学陆永枫教授研究团队和华中科技大学光电国家实验室熊伟教授的合作研究在CNTs组装方面取得重要突破,成功实现碳纳米管在三维任意空间的高定向排列组装。

该研究团队在功能化多壁碳纳米管(MWNTs)过程中加入了表面活性剂—硫醇,将复合树脂中均匀分散的CNTs浓度提高至0.2 wt%,比先前已发表研究成果高一个数量级。实验表明,用含有CNTs的复合树脂材料制成的三维微纳结构具有良好的导电率和显著增强的机械性能,并显示了各向异性特性,进一步证实了碳纳米管在激光作用下的高定向排列。该实验对掺有不同浓度CNTs的复合树脂进行了测试,实验结果表明:

(1)用掺有碳纳米管的复合树脂(0.2 wt%)所制成的微纳结构相比于无掺杂的结构,电导率增加了11个数量级,并实现了碳纳米管在三维结构体中的高定向排列。

(2)掺有碳纳米管的复合树脂具有良好的透光率。含有0.2 wt% CNTs的复合树脂的透光率仍高达94%,适合于透明导电电极的应用。

(3)掺有碳纳米管的复合树脂具有较强的机械性能,能大幅提高微纳制造中三维结构的稳定性,减少结构形变。

(4)将双光子聚合技术与快速热处理技术相结合,能有效实现具有100nm空间分辨率的高精度CNTs分子组装。

该工作中激光直写技术的应用为实现碳纳米管在三维空间中的高精度组装铺平了道路,极大地提高了一维纳米材料的组装效率,预计将推动三维电子元器件,微纳机电系统等领域的发展。

其相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505516)上。