美科学家受生物矿化作用启发，开发出柔性电子制造新技术

背景

大自然赐予人类许多灵感，特别是科学研究方面。笔者之前在《减少手机屏幕眩光的新型薄膜：设计灵感来源于蛾眼！》一文中的背景部分，介绍过几个灵感来源大自然的科学创新案例，所以今天就不一一例举了。

然而今天我们要介绍的科技创新，也是受到了大自然的启发，但是它与时下非常热门的柔性电子器件的制造相关。

创新

最近，美国伊利诺伊大学的研究人员开发了一种受生物启发的动态模板。这种模板可用于制造半导体材料，生产印刷电子器件。它使用了一种类似于生物矿化作用的工艺。所谓的生物矿化作用，就是指动物骨骼和牙齿的形成过程。相比于传统电子器件的制造方式，这项技术是环境友好的，它给予研究人员回馈大自然的机会。

Ying Dao 教授、研究生 Erfan Mohammadi 以及论文的合著者们在《自然通信》杂志上发表了一篇新文章，描述了这种类似生物矿化作用的技术的工作方式。

（图片来源：伊利诺伊大学）

技术

模板通常用于制造近乎完美的半导体，改善它们的电子特性，或者调整原子之间的空间，从而得到更好的电子特性。这些模板有利于按照需求的形式，正确地对准半导体材料的原子，通常是硅和锗。

（图片来源：参考资料【2】）

然而，这种传统技术只适用于刚性纳米器件，而制造柔性电子器件需要更大、更混乱的有机聚合物分子，它们无法在固定模板周围排列。

在大自然中，一些生物器官会通过利用柔性生物聚合物，采集或者招募无机离子，构建矿化结构。同样，Diao 的小组开发出的模板也是由离子组成，这些离子在半导体聚合物的原子结构周围重新排列。Diao 称，通过这种方式，大型聚合物分子能够形成高度有序的模板化结构。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

质量控制问题一直困扰着有机半导体，并且拖慢了柔性器件的开发进程，然而这种高度有序的机构解决了这一问题。Diao 说：“我们的模板让我们通过分子级的排列，控制这些聚合物的组装。对于印刷报纸来说，墨水分子如何排列没关系，而对于电子器件来说，它很至关重要。”

Diao 称，使用这些动态模板的制造工艺同样也是环境友好的。传统的半导体制造工艺，需要3000华氏度的高温，并且生产出大量的有机废料。而这种工艺则不同，它产生的废料很少，并且可以在室温下制造，能够降低能耗。Diao 说：“我们的研究从大自然中寻找答案。在自然中，聚合物成为了离子的模板。而我们所做的恰恰相反，我们用离子作为聚合物的模板，制造柔性、轻量、生物集成的电子器件，低成本并可以大规模制造。”

参考资料

【1】https://news.illinois.edu/blog/view/6367/529209

【2】Erfan Mohammadi, Chuankai Zhao, Yifei Meng, Ge Qu, Fengjiao Zhang, Xikang Zhao, Jianguo Mei, Jian-Min Zuo, Diwakar Shukla, Ying Diao. Dynamic-template-directed multiscale assembly for large-area coating of highly-aligned conjugated polymer thin films. Nature Communications, 2017; 8: 16070 DOI: 10.1038/ncomms16070