北京大学工学院王昊课题组取得固体表面纳米级流体控制研究重要进展

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“明月松间照,清泉石上流”。液体在固体表面的流动造就了斑斓的世界。而在能源、化工、印刷、芯片等工业过程中,对固表上的纳米级厚度液膜流动的精确控制有可能带来相关技术领域的关键革新。传统的微流控策略涉及掩膜、刻蚀等复杂的固表微纳加工。其成本高昂且无法修改流动路径。已有研究引入激光等外场激励在开放固体表面上对液膜进行引导,但控制精度低且不稳定。如何实现开放固体表面上纳米薄液膜的灵活、精确、可复写的流动控制仍待解决。

近日,北京大学工学院能源与资源工程系王昊课题组在Nature Communications杂志发表了题为“Rewritable Printing of Ionic Liquid Nanofilm Utilizing Focused Ion Beam Induced Film Wetting”的研究论文。该工作提出一种离子束致液膜润湿(ion beam induced film wetting, IBFW)技术,并发展其用于开放表面纳米流动控制。该文利用氦离子在电绝缘固体基底上的荷电效应产生局域静电力,诱导离子液体的离子发射形成前驱膜进而诱发纳米级厚度液膜的定向流动,同时利用纳米级厚度内的分子间长程作用实现了液膜的高度稳定。该工作首次实现了开放表面上纳米级厚度薄液膜的可复写图案化控制。

表征揭示了IBFW技术的高精度流动控制能力以及印刷液膜的稳定性:液膜厚度低至30nm,转角半径低至20nm,液膜流动速度在1~10μm/s,制备的纳米液膜在环境压力变化、后续溶液注入、重力干扰、外加电压等测试中保持稳定;论文通过实例证明该离子液体薄膜可进一步作为吸附反应电路元件、挥发性液体的图案化流动通道、电化学反应的原位控制图样。该工作进一步实例展示了IBFW技术的广泛应用前景:大幅提升气体吸附传感电路的灵敏度;简化原位化学反应及微流控芯片的制造工艺;通过与电化学工艺结合,实现金属、金属有机盐等固体颗粒的直接图案化印刷。

氦离子束致薄膜润湿实现纳米厚度液膜图案,以及以液膜为前驱进一步实现固体颗粒图案

北京大学工学院能源与资源工程系王昊为通讯作者,博士生谷昊昊及博士孟凯鑫为共同第一作者,博士生袁若为在电化学及表征实验等方面作出重要贡献。此工作也得到北京大学物理学院朱瑞、深圳科技大学邓亚骏、波士顿大学段传华等老师的支持和帮助,以及国家自然科学基金的支持。

责编: 爱集微
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