Nanoscale materials present us with astonishing chemical and physical properties that help materialize applications such as single molecular sensing and minimally invasive photothermal therapy—which were once just theories—into reality.
纳米材料为我们提供了惊人的化学和物理特性，有助于将单分子传感和微创光热治疗等应用——这些曾经只是理论——变为现实
纳米颗粒的独特能力使其成为一种有利可图的材料，可用于广泛的研究和工业用途。然而，由于缺乏快速均匀转移单层纳米颗粒的技术，实现后者变得困难，这对器件制造至关重要
摆脱这一困境的一个可能方法是采用静电组装工艺，在静电组装工艺中，纳米颗粒将自身附着在带相反电荷的表面上，一旦形成单层，纳米颗粒就会通过将其他带类似电荷的纳米颗粒排斥出表面来自我限制进一步组装。不幸的是，这个过程可能非常耗时
当人工方法与这些缺点作斗争时，自然界中发现的水下粘附过程已经演变成克服这一问题的独特策略
在这方面，由博士生Doeun Kim（第一作者）和助理教授Hyeon Ho Jeong（通讯作者）领导的光州科学技术研究所的一组研究人员开发了一种“贻贝启发”的一次性纳米颗粒组装技术，该技术可在10秒内将微观体积的材料从水中传输到2英寸的晶圆，同时实现表面覆盖率约40%的2D单层组装
他们的工作发表在《高级材料》杂志上，并突出显示为前沿文章
在覆盖有HfO2的2英寸Au基板上进行10秒的静电纳米颗粒组装。来源：先进材料（2024）。DOI:10.1002/adma.202313299“我们克服现有挑战的关键方法来自于对贻贝如何抵水到达目标表面的观察。我们看到贻贝同时辐射氨基酸，解离表面的水分子，使化学粘合剂能够迅速附着在目标表面，”金女士在谈到这种独特的自然方法背后的动机时解释道
“我们意识到，类似的情况是，我们引入过量的质子来去除目标表面的羟基，从而增加纳米颗粒和表面之间的静电引力，加速组装过程。”
研究人员通过质子动力学设计了目标表面和纳米颗粒的静电表面电势。这导致纳米颗粒在几秒钟内均匀地附着在目标表面
为了测试将质子工程引入静电组装过程的效果，该团队将单层组装时间与传统使用的技术进行了比较。结果表明，新技术的涂布速度比以前报道的方法快100到1000倍。纳米颗粒加速扩散和组装的原因与质子去除目标区域上不需要的羟基的能力有关
研究人员进一步发现，底层工艺的电荷敏感特性使得单层膜的确定性“愈合”和晶圆级的“拾取和放置”纳米图案成为可能。此外，所提出的技术还允许通过等离子体结构制造晶片级全色反射超表面，从而为生产全色绘画和光学加密设备开辟了新的途径
这一受自然启发的新概念验证是迈向功能性纳米材料单层材料广泛接受的重要一步
“我们设想这项研究将加速功能性纳米材料对我们生活的影响，并推动单层膜的大规模生产，从而促进广泛的应用，从光子和电子设备到用于能源和环境应用的新型功能材料，”郑教授总结道