前沿技术:中国科学家打破泡沫世界“弱肉强食”丛林法则

365体育官网2017年2月23日讯  泡沫世界中存在着一套类似丛林法则的“弱肉强食”现象:大小不同的气泡在奥斯瓦尔德机制的影响下,会呈现出“大的越大,小的越小”的现象。

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1873年,比利时科学家Plateau开创了泡沫物理学,从那之后,人们开始对泡沫世界展开深入的探索。百余年来,研究者对于泡沫的结构规律和演变过程已经形成了比较成熟的体系,但是对于泡沫演变的调控却一直是巨大的挑战。

然而,泡沫世界的这一“丛林法则”即将被科学家打破。中科院化学所宋延林课题组发现了一种巧妙的方法,能够对二维泡沫演变模式的调控,从而将泡沫世界的“弱肉强食”变为“限富济贫”,并以此为基础发展出了一种全新概念的纳米印刷术,也为其它类似体系演变的控制提供了新的思路。

泡沫世界的“弱肉强食”

在泡沫世界中,存在着“弱肉强食”的丛林生存法则,科学家称之为“奥斯瓦尔德熟化机制”。该机制描述了一种非均匀结构随时间流逝所发生的变化:溶质中的较小型的结晶(或溶胶颗粒)溶解并再次沉积到较大型的结晶(或溶胶颗粒)上。通俗地讲,在泡沫世界中,小的气泡会逐渐变小直至消失,而大的气泡则会一直增大,呈现出“弱肉强食”现象。

早在1896年,物理化学的创始人之一、德国化学家威廉·奥斯特瓦尔德(Friedrich Wilhelm Ostwald)就对这种演化进行了描述,并以他的名字命名了这种物理现象。

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奥斯瓦尔德熟化机制

该理论是以热力学原理为基础逆向推导出来的。科学家们认为,在溶液系统中,所有的溶质都具有最终变为一个巨大球型颗粒以达到表面积最小的趋势,从而变为能量最低的状态。在泡沫体系中,根据拉普拉斯方程(法国科学家拉普拉斯首先提出,表述液面内外压力差与液面曲率的关系),越小的气泡内部压强越大,所以曲率半径(编者注:曲率的倒数,用来描述曲线弯曲程度,可通俗地理解为曲率半径越小,表面越弯曲)小的气泡会把气体“压进”曲率半径大的气泡,最终呈现出小的气泡越来越小、大的气泡越来越大的现象。

“限富济贫”的新模式

尽管科学家对于泡沫的结构及演变的研究已经持续了一百多年,对泡沫的结构规律及其演变过程的分析已经达到了炉火纯青的境界。但是,科学家们却迟迟未能实现对这种演变过程的操控,面对泡沫世界“弱肉强食”的现象束手无策。

近日,中科院化学所宋延林课题组通过利用表面具有微米结构的界面作用,实现了对二维泡沫演变过程的调控,从而打破二维泡沫“弱肉强食”的局面,实现反奥斯瓦尔德熟化机制的“限富济贫”新模式。

他们的研究发现,当固体表面不是平滑的,而是具有微米结构的情况下,气泡在生长过程中会与这些微米结构发生相互作用从而产生形变,使得气泡的曲率半径不再随体积的增大而持续增大,反而逐渐减小。简单来说,即出现了从大气泡传输气体到小气泡的现象(如视频1所示),也就是反奥斯瓦尔德熟化机制的“限富济贫”模式。

也就是说,人们可以利用固体表面的微米结构,实现调控二维泡沫的演变机制,令体积较小的气泡具有较大的曲率半径,从而呈现出反奥斯瓦尔德熟化现象。

不仅如此,通过设计微结构的排列,研究者们还可以使不同的区域对气泡表面曲率的限制形成差异,当总的气体量不充足时,就可以控制气泡的演化方向。其演化规律是,气体总是向允许气泡变为大曲率(越“弯曲”)的区域传输,展现出“集聚效应”。视频2中所有区域(白色小光点围成的四边形、六边形、十二边形)都产生了气泡,然而由十二个小光点围成的十二边形区域因允许气泡拥有更大的曲率半径,所以气体的传输方向是进入到十二边形区域中,形成十二边形的气泡阵列。

基于上述现象,通过设计固体表面结构的排列方式,研究者们使得泡沫演变成预先设定的图案,从而实现二维泡沫演化的“可编程性”。

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通过控制泡沫演变过程实现“可编程性”

纳米印刷新思路

基于微米结构改变泡沫演变过程的机制,人们可以有效地调控泡沫演变的过程。在应用方面,研究者们表示,通过调控而形成的图案化的二维气泡能够为高精度组装功能材料提供模版:将功能材料放入溶液中,随着液体的蒸发,这些功能材料(如纳米颗粒、导电聚合物等)就会在气泡边界处进行组装,形成纳米尺度的高精度网格图案,进而实现在透明电极等光电器件中的应用。

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气泡模版法组装功能材料

这种二维泡沫演变的新模式,改变了百年来科学界对于泡沫演化难以操控的局面,实现了以阵列化气泡为模板“印刷”功能材料、制备纳米尺度的高精度图案等功能,是纳米绿色印刷技术在前沿研究领域的一大突破,也为其它类似体系的演变过程控制提供了全新的思路。

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