新科技：快速制造高品质低污染纳米镀膜

日本名古屋大学找到一种简单且低成本的2D纳米薄膜制造新技术。图片为相机上的滤镜，透过光线照射可以看到上面有一层蓝紫色的纳米镀膜。

最近，日本科学家研发出一种简单且低成本的2D纳米薄膜制造新技术。该技术生产出的薄膜不仅品质优异，还能实现大规模快速生产，更能将过去难以转移的薄膜轻松转移到固体或柔性基材上，且整个制造过程对环境的污染和破坏极小。

由于石墨烯等二维纳米片和其它无机2D纳米片制成的纳米薄膜，具有独特电子、磁性、光学和热特性，有望在下一代电子产品中发挥巨大的潜能。不过，传统化学气相沉积（CVD）、朗缪尔-布洛吉特（Langmuir-Blodgett, LB）等方法制成的薄膜，经常有不均匀、无法大面积生产和快速转移薄膜等问题，且这些方法制造出来的薄膜涂层的尺寸通常小于2英寸，很难应用到实际中。

日本名古屋大学永续发展材料与系统研究所（IMaSS）的大田稔（Minoru Osada）教授领导的团队，研发出一种突破性的纳米薄膜制造工艺，不仅解决了过去纳米薄膜制造所存在的问题，还有效减少了化学试剂对环境的污染。该研究结果今年7月发表在《Small》杂志上。

该团队偶然间发现当纳米片被浸湿时，它们会自发地在水面上排列，可以在短短10至15秒内形成致密的纳米薄膜，而这种过程被科学家称为“自发扩散现象”。

发现这种现象后，实验人员分别将氧化钛、二维钙钛矿、二氧化钌、铯氧化钨、氧化石墨烯（GO）和过渡金属碳化物（MXene）等多种纳米片，混合至TBA悬浮液（氢氧化四丁基铵，TBAOH）和含有水与酒精的溶剂中，再藉由滴管将其滴到水面上进行“自发扩散现象”测试。

结果显示，这些纳米片稳定且快速生成在水面上，最终形成完整的单分子层的纳米薄膜型态。这是因为酒精的蒸发速度比水快，且在蒸发时会让液体的表面形成明显的浓度梯度差，导致水面上出现张力差异，使得流体从张力较低的区域移动到较高的区域，形成一个完整的对流（马兰戈尼对流），而这一过程会引导溶液内的纳米片排列上变得更致密和有秩序。

研究人员将单层的氧化钛等材料的2D纳米薄膜从溶液中打捞后，快速移植到玻璃、金属（白金、金、铝箔）和PET塑胶等材料制成的2英寸、4英寸以上的基板上，薄膜在基板上的平均覆盖率超过95%，只有极少的部分出现空隙和重叠状况。

日本名古屋大学大田教授对该校的新闻室说，“纳米片自发地排列并紧密地堆积在一起，就像浮冰在水面上聚集一起。这种可以控制的排列，对于创建均匀且高品质的纳米薄膜来说至关重要，而且这种方法获得的纳米片薄膜也能在短时间内轻松将其转移到基材上。”

实验人员还发现酒精浓度在50%，且TBA悬浮液浓度处于0.1到0.5g/L时，纳米片组装成纳米薄膜的致密程度和品质最佳。其原因是TBA悬浮液增加了纳米片的疏水性，有效将纳米片漂浮在空气-水界面，防止与水出现混溶现象。

用这种方法制作的二氧化钌纳米薄膜，比石墨烯拥有更好的透光度，也比氧化铟锡拥有更好的电导率。另外，用这种方法生成的二氧化钛、二维钙钛矿纳米薄膜，拥有极高的折射率，能使表面出现彩虹色，而这种特质非常适合光电元件上面。

实验人员表示，此种方法并非特定于含有水和酒精的悬浮液，也适用于丙酮、甲酰胺等有机溶剂，且这些纳米薄膜不仅可以轻松转移到多孔基材上，还可以进行多次叠加形成可剥离的独立薄膜，该物体可用于水净化、气体分离、电子、感测等方面。

大田教授表示，该方法拥有巨大潜力，“目前我们透过该技术制造的多层薄膜，其表现出的性能相当优异且有相当多的功能性，使它们可以应用于透明导电膜、介电膜、光催化膜、防腐蚀膜和隔热膜等上。”

除了其技术优势外，大田教授还强调了这种方法对于环境产生的破坏较少。因为“该技术能够在室温下，以水溶液工艺在各种基材上生产薄膜，且无需真空成膜设备或昂贵的工具，这是之前传统薄膜制程中很难看到的事情。”