論文概要
金屬和半導體奈米顆粒具有透過自組裝形成高度有序陣列的能力，因此可以被用來製備奈米自組裝結構/器件，在感測、防偽、離子門控、奈米光子學和奈米電子學等領域具有很大的應用和發展潛力。
近期，西北工業大學臧渡洋教授課題組與澳大利亞莫納什大學程文龍教授課題組合作，提出了一種製備自支撐奈米自組裝體的全新方法：利用聲輻射力抑制常規液滴蒸發時的咖啡環效應，從而獲得大面積、自支撐的雙層有序奈米顆粒自組裝體。該項研究成果以“A General Approach to Free-Standing Nanoassemblies via Acoustic Levitation Self-Assembly”為題於近日在奈米領域期刊ACS Nano（IF：13。709）上線上發表。
先前的奈米自組裝體的製備方法方法包括Langmuir- Blodgett、基於DNA的乾燥介導自組裝、液-液介面自組裝、氣-液介面自組裝和逐層組裝等。在這些常規方法中，自組裝過程中固體或容器的表面接觸是不可避免的，這通常會影響自支撐奈米元件的質量、可轉移性和可製造性，特別是固-液邊界或固-氣介面在溶劑蒸發過程中的“咖啡環”效應也會顯著影響奈米元件的均勻性。相比之下，聲懸浮技術可以在自組裝過程的任何階段完全避免固-氣和固-液介面，從而提供一種無容器自組裝條件。
立方金奈米顆粒（Au NCs）是透過種子介導生長法合成的，透過接枝硫代聚苯乙烯（SH-PS）使其具有疏水性。為了避免固體基質的影響，用作Au奈米顆粒組裝模板的水滴在某個聲壓節點中被聲懸浮裝置懸浮（圖1a）。隨後將濃縮的PS-Au NC懸浮液滴在懸浮的水滴表面，溶劑快速蒸發後，固體奈米顆粒聚集在液滴周圍，形成金色的懸浮液體彈珠。隨著液體的進一步蒸發，懸浮的金色液體彈珠在垂直方向上收縮，但水平方向保持恆定，最終獲得具有雙層結構的圓盤狀自組裝體（圖1 b-f）。
為了理解水蒸發時液體彈珠的形狀演變過程，研究者透過系統的實驗研究和深入的數值模擬，計算並繪製了液體彈珠表面的聲輻射壓力PA（圖2a），並與未滴加PS-Au NC懸浮液的液滴表面進行了比較。研究結果表明，聲輻射壓力PA的分佈是不均勻的，在液滴的兩極區域為正，赤道區域為負，PA的這種分佈表明在液滴赤道處存在著由聲波引起的吸力效應。這對於後來液滴形狀的演化是極其重要的。對於包覆奈米顆粒的液滴，隨著液滴的蒸發，金奈米顆粒表面濃度增大，表面張力下降，直到達到介面阻塞狀態。介面阻塞和聲輻射力共同作用使得液滴保持餅狀，最終形成了二維圓盤狀奈米元件（圖2c）。對比發現，懸浮的“裸露”水滴均勻收縮（圖2b），因為其表面張力在整個蒸發過程中不會發生變化，可見聲場中懸浮液滴的形狀和聲場與表面張力的相互作用有關，在二者互相作用的狀態下變化的表面張力導致了雙層膜結構的形成。
在此基礎上，還可以製備結構更為複雜的奈米顆粒自組裝體，比如“三明治”結構（圖3a）和空殼結構（圖3b）等。
該項工作清晰地表明聲懸浮自組裝是製造自支撐奈米自組裝體的有效方法，具有廣泛的適應性，這使得製備多功能奈米元件如雙層、三層和空心膠囊等成為可能，甚至可推廣至液體介質中，為在液-液介面上製備類似奈米自組裝體開闢了新的途徑。
主要文圖
圖1。 聲懸浮條件下一種雙層奈米元件的自組裝
圖2。 （a）液體彈珠，（b）“裸”水滴中水蒸發過程中樣品表面上聲輻射壓力PA的時間演變和（c）在水坑狀液滴上PA分佈的示意圖
圖3。 （a）透過注入濃縮DNA NSS懸浮液來組裝夾層奈米元件的示意圖，（b）組裝中空奈米元件的過程示意圖
相關文獻
［1］ Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound， Nature Communications， （2018） 9： 3546。
［2］ Shape evolution and bubble formation of acoustically levitated drops， Physical Review Fluids， （2018） 3： 103606。
［3］ Acoustic levitation of soap bubbles in air： Beyond the half-wavelength limit of sound， Appl。 Phys。 Lett。， （2017） 110： 121602。
［4］ Sectorial oscillation of acoustically levitated nanoparticle-coated droplet， Appl。 Phys。 Lett。， （2016）108： 031603。
［5］ Liquid marble coalescence and triggered microreaction inspired by acoustic levitation， Langmuir， （2017） 33： 6232-6239。
［6］ Switchable opening and closing of a liquid marble via ultrasonic levitation， Langmuir， （2015） 31： 11502-11507。
論文資訊
文獻連線：
https：//pubs。acs。org。ccindex。cn/doi/abs/10。1021/acsnano。8b09628