中國科學家打破泡沫世界「弱肉強食」叢林法則：納米印刷的新可能

編者按：

1873年，比利時科學家Plateau開創了泡沫物理學，從那之後，人們開始對泡沫世界展開深入的探索。百餘年來，研究者對於泡沫的結構規律和演變過程已經形成了比較成熟的體系，但是對於泡沫演變的調控卻一直是巨大的挑戰。最主要的原因就是泡沫世界中存在著一套類似叢林法則的「弱肉強食」現象：大小不同的氣泡在奧斯瓦爾德機制的影響下，會呈現出「大的越大，小的越小」的現象。

然而，泡沫世界的這一「叢林法則」即將被科學家打破。中科院化學所宋延林課題組發現了一種巧妙的方法，能夠對二維泡沫演變模式的調控，從而將泡沫世界的「弱肉強食」變為「限富濟貧」，並以此為基礎發展出了一種全新概念的納米印刷術，也為其它類似體系演變的控制提供了新的思路。該研究於1月30日發表在Nature Communication雜誌上（Nat. Commun. doi: 10.1038/ncomms14110） 。

撰文 | 武瑞雪（化學博士、中科幻彩首席運營官）

責編 | 呂浩然

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泡沫世界的「弱肉強食」

在泡沫世界中，存在著「弱肉強食」的叢林生存法則，科學家稱之為「奧斯瓦爾德熟化機制」。該機制描述了一種非均勻結構隨時間流逝所發生的變化：溶質中的較小型的結晶（或溶膠顆粒）溶解並再次沉積到較大型的結晶（或溶膠顆粒）上。通俗地講，在泡沫世界中，小的氣泡會逐漸變小直至消失，而大的氣泡則會一直增大，呈現出「弱肉強食」現象。

早在1896年，物理化學的創始人之一、德國化學家威廉·奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald）就對這種演化進行了描述，並以他的名字命名了這種物理現象。

?奧斯瓦爾德熟化機制

該理論是以熱力學原理為基礎逆向推導出來的。科學家們認為，在溶液系統中，所有的溶質都具有最終變為一個巨大球型顆粒以達到表面積最小的趨勢，從而變為能量最低的狀態。在泡沫體系中，根據拉普拉斯方程（法國科學家拉普拉斯首先提出，表述液面內外壓力差與液面曲率的關係），越小的氣泡內部壓強越大，所以曲率半徑（編者註：曲率的倒數，用來描述曲線彎曲程度，可通俗地理解為曲率半徑越小，表面越彎曲）小的氣泡會把氣體「壓進」曲率半徑大的氣泡，最終呈現出小的氣泡越來越小、大的氣泡越來越大的現象。

「限富濟貧」的新模式

儘管科學家對於泡沫的結構及演變的研究已經持續了一百多年，對泡沫的結構規律及其演變過程的分析已經達到了爐火純青的境界。但是，科學家們卻遲遲未能實現對這種演變過程的操控，面對泡沫世界「弱肉強食」的現象束手無策。

近日，中科院化學所宋延林課題組通過利用表面具有微米結構的界面作用，實現了對二維泡沫演變過程的調控，從而打破二維泡沫「弱肉強食」的局面，實現反奧斯瓦爾德熟化機制的「限富濟貧」新模式。

他們的研究發現，當固體表面不是平滑的，而是具有微米結構的情況下，氣泡在生長過程中會與這些微米結構發生相互作用從而產生形變，使得氣泡的曲率半徑不再隨體積的增大而持續增大，反而逐漸減小。簡單來說，即出現了從大氣泡傳輸氣體到小氣泡的現象（如視頻1所示），也就是反奧斯瓦爾德熟化機制的「限富濟貧」模式。

反奧斯瓦爾德熟化 - 騰訊視頻 https://v.qq.com/x/page/j0370ej3nye.html

也就是說，人們可以利用固體表面的微米結構，實現調控二維泡沫的演變機制，令體積較小的氣泡具有較大的曲率半徑，從而呈現出反奧斯瓦爾德熟化現象。

不僅如此，通過設計微結構的排列，研究者們還可以使不同的區域對氣泡表面曲率的限制形成差異，當總的氣體量不充足時，就可以控制氣泡的演化方向。其演化規律是，氣體總是向允許氣泡變為大麴率（越「彎曲」）的區域傳輸，展現出「集聚效應」。視頻2中所有區域（白色小光點圍成的四邊形、六邊形、十二邊形）都產生了氣泡，然而由十二個小光點圍成的十二邊形區域因允許氣泡擁有更大的曲率半徑，所以氣體的傳輸方向是進入到十二邊形區域中，形成十二邊形的氣泡陣列。

泡沫演化的集聚效應 - 騰訊視頻 https://v.qq.com/x/page/p0370igunqe.html

基於上述現象，通過設計固體表面結構的排列方式，研究者們使得泡沫演變成預先設定的圖案，從而實現二維泡沫演化的「可編程性」。

納米印刷新思路

基於微米結構改變泡沫演變過程的機制，人們可以有效地調控泡沫演變的過程。在應用方面，研究者們表示，通過調控而形成的圖案化的二維氣泡能夠為高精度組裝功能材料提供模版：將功能材料放入溶液中，隨著液體的蒸發，這些功能材料（如納米顆粒、導電聚合物等）就會在氣泡邊界處進行組裝，形成納米尺度的高精度網格圖案，進而實現在透明電極等光電器件中的應用。

?氣泡模版法組裝功能材料

這種二維泡沫演變的新模式，改變了百年來科學界對於泡沫演化難以操控的局面，實現了以陣列化氣泡為模板「印刷」功能材料、製備納米尺度的高精度圖案等功能，是納米綠色印刷技術在前沿研究領域的一大突破，也為其它類似體系的演變過程式控制制提供了全新的思路。

感謝中科院化學所宋延林研究員、黃佔東博士對本文寫作的幫助。

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