全文HTML
--> --> -->在过去数十年中所开发的多种纳米图案化技术中, 扫描探针刻印术(scanning probe lithography, SPL)具有很高的代表性, 它控制一种或多种尖锐的扫描探针, 通过摩擦氧化、刮削蚀刻的过程诱导基底材料图案化, 有时在针尖通电以用于针尖扫描时施加静电作用, 可以在1—100 nm的尺度上通过机械力、静电作用或衍生的热效应对基底进行修饰[1-5], 由于机制简单、易于实现且对各类基底有高通用性而在生化领域具有广阔的应用, 使其有别于电子束刻蚀术(electron-beam lithography)与光刻术(photolithography)而独树一帜[6,7].
正是在SPL技术发展的过程中, 一些研究人员在使用被污染的针尖进行扫描作业的时候发现污染针尖的物质会因刮蹭而转移到基底, 某些小分子进而形成了自组装单分子层并沉积到了相应的基底扫描路径上[8,9], 这让他们意识到针尖不仅可以作为雕刻的“刀”, 更可以作为导墨的“笔”. 在此基础上, 1999年, Mirkin团队[10]将其发展成为一种崭新的纳米加工手段, 创造了蘸笔纳米刻印术(dip-pen nanolithography, DPN). DPN可以将各种“墨水”(如聚合物或其单体、DNA、肽链、胶体纳米颗粒、金属离子、溶胶等)以低于50 nm的特征直径“书写”到各种基底上, 通过计算机指挥的电机对针尖的精密控制, 可以轻松随意地制造复杂结构(见图1). 同样, 那些由DPN生成的图案化基底可用于进一步控制其他纳米材料的组装, 例如碳纳米管、金纳米颗粒和氧化石墨烯片[11-14]. 相较于传统的纳米制造技术, DPN具备许多理想的属性, 包括高分辨率、原位成像、无掩模、材料兼容性以及在气、液相多环境条件下运行的能力.
图 1 (a) DPN书写示意图, 针尖在吸附大量16-巯基十六烷基酸(16-mercaptohexadecanoic acid, MHA)后, 与金质基底接触, 在探针水平运动的过程中, MHA扩散到金基底上, 迅速与之形成稳定的金-硫键; (b), (c) 由DPN书写得到的纳米图案的LFM图像, 纳米结构的宽度达到100 nm, 且连续书写的长度可达数微米[10]Figure1. (a) Schematic diagram of dip-pen nanolithography, AFM tip dipped in thiol solution gets contacted with Au substrate, as the tip is moving horizontally, the small thiol molecules diffuse onto the substrate, then, stabilized gold-sulfur bonds will be formed; (b), (c) lateral force image of a molecule-based grid, each line is 100 nm in width and 2 μm in length. Reproduced with permission[10].
在过去的二十年中, 以原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)为代表的一系列仪器设备的升级革新使得操控的精细度更进一层, 对于不同反应体系认知的进步也使得墨水分子有了更广阔的选择空间, 产生了一系列基于DPN的衍生技术手段. 基于热化学[15]、电化学[16]等传统化学体系的DPN衍生技术纷纷被发展起来, 而在此之外的一个新兴的化学反应类型——力化学, 也在逐渐地发展壮大并尝试着与DPN技术建立联系.
力化学指的是通过机械力引发或介导的一类化学反应, 对于力化学的认知很长时间以来都停留在通过挤压、研磨等方法来研究矿物、合金、聚合物等物质受力的物理化学过程, 关注的重点往往是物理分散的效用而非力对化学反应的介导作用, 体系也局限于固相. 近年来, 随着力学传感器、力催化剂、细胞力学等的发展, 其研究成果与需求也进一步推动了力化学研究的进步: 例如研磨可以介导某些特别的加成反应, 其反应效率超越了需要引发剂介导的同类光化学反应, 这一新兴的点击化学路径兼具方便快捷与环境友好[17], 而高能球磨仪的问世与改进拓展了碰撞挤压式力化学研究的压力上限; 超声与流体拉伸技术的成熟化则将力化学领域延伸到了液相高分子, 使得力化学的定量操控成为可能[18]; 压电材料与激光感应系统的升级换代让基于AFM的单分子力谱技术可以更为精准地调控施加于探针的力, 进而在单分子层面对力化学过程进行测量与操纵[19].
由于机械力作为矢量可以在力的大小与方向上影响化学能量面, 调控化学反应通路, 因而力化学往往可以实现一些“热力学禁止”或者不同于传统热化学、光化学、电化学路径下的化学反应[17,20,21], 这将大大拓展制造技术的应用领域; 而较为成熟的单分子力谱技术也降低了将力化学与DPN一类技术相关联的代沟, 具有广阔的应用前景.
2
2.1.DPN的墨料
DPN基于扫描探针技术的最大突破, 在于其探针的针尖附着了用于书写的墨水, 理解这些墨水分子如何转移、组装成为了将DPN技术推广至更多应用体系的必要基础.3
2.1.1.液态墨料
正如其“蘸笔”之名, 在所有DPN及其衍生技术的最开始阶段, 都需要将墨水分子加载到扫描探针的纳米悬臂上, 在电机的控制下悬臂可在水平各向进行精细地移动, 而在垂直方向则通过激光反射路径观察悬臂形变或使用压电陶瓷来控制悬臂与基底的接触, 代表性的实验仪器如AFM, 这种对力的矢量操控也是将DPN与力化学相结合的技术基础, 在本文的第3节会就此进行探讨. 正是在悬臂紧贴基底进行水平移动的过程中, 墨料将通过连接笔尖和基底表面的弯月面被输送到基底上, 进而通过与基底材料的特异性相互作用或自组装过程在扫描路径上形成单分子层.墨料的转移过程受到数个参数影响, 包括墨水的化学物理特性、表面张力, 笔尖形状及其墨水覆盖率, 弯月面(water meniscus, 见图2)的拉普拉斯压力, 悬臂操作参数如停留时间、接触压力、水平运动速度等, 以及环境湿度和温度[22]. 一般墨水可以分为两个种类: 小分子墨水(small molecule ink)与液体油墨(liquid ink), 前者是由溶解了墨水小分子的溶液体系构成(见图2), 后者则是具有黏弹性的流体(见图3).
图 2 扩散墨水转移示意图, 小分子墨料溶解于溶剂体系中, 主要依靠扩散的形式从针尖向基底转移Figure2. Schematic diagram of the diffusive ink transport, diffusion dominates the transport between AFM tip and the substrate.
图 3 液体墨水转移示意图, 液体墨水依靠黏滞流向基底转移Figure3. Schematic diagram of the liquid ink transport, transport of liquid ink is dominated by the surface tension.
小分子墨水亦可根据其转移形式被称为扩散墨水(diffusive ink), 通常是在水溶体系中. 研究者们已建立了数个物理模型来理论计算、分析小分子墨水的传输过程, 大致上墨料的传输过程可分为3个步骤[23,24] (见图2). 1)溶解: 位于针尖上的墨水分子溶解于液体弯月面的顶部; 2)扩散: 由弯月面充当传输通道, 使墨水分子能够从笔尖扩散到基材上; 3)组装: 墨水分子通过特异相互作用或特定化学反应自组装到基底上, 形成单分子层. 其中液体弯月面的形态对小分子扩散的动力学影响最受关注, 悬臂操作参数、针尖锐度、溶剂体系等条件都将影响弯月面的形态进而影响墨料的投送效率[25-28].
液体油墨则是黏弹性液体, 其传输方式主要依靠表面张力而非经由弯月面的简单扩散. 液体油墨不仅可以作为单体直接完成自组装, 还可以作为运输其他纳米结构或反应的介质. 因此, 液体油墨, 尤其是黏性聚合物油墨(viscous polymer ink), 已成为DPN开发中的一个新的研究热点[29]. 液体油墨的传输体系较小分子墨水的扩散传输有很大不同, 对它的理论模型的建立还不够深入. 研究者们认为液体墨水的传输依靠液体内的压力梯度来达成, 而压力梯度来自针尖-基底接触点附近液体的毛细压力[30], 并受许多因素的影响, 包括液体黏度、尖端结构、液体弯月面的形态及表面能、湿度、温度, 并与针尖操作参数有关. 较长的接触时间或静置时间可实现更大的墨水传输, 而黏性力的增大会对抗传输过程、降低传输速率[31].
当然, 也不必拘泥于小分子墨水和液体油墨的体系差异, 还有一种墨水兼具两者的一些特质而难以将其归属于任意其中, 此即磷脂类墨水及其衍生的lipid-DPN[32]. 磷脂一端亲水、一端疏水的特性使其既可以在水相溶剂体系中扩散传输, 又可以通过疏水自组装形成一团具有一定整体性的黏性流质. 虽然这使得传输模型的建立更加困难, 但也赋予了实验设计更大的想象空间, 如Hirtz等[33,34]的工作中就利用了磷脂在墨水溶剂内的自组装, 在亲水基底上实现了多层磷脂分子的堆叠书写(见图4), 通过进一步对磷脂亲水端设计蛋白抗体位点等方式, lipid-DPN在生化纳米制造领域有着独特的应用前景.
图 4 (a) lipid-DPN效果示意图, 使用磷脂分子作为墨料, 利用其两端的亲疏水性差异, 可以使用DPN书写多层形成堆叠; (b), (c)使用lipid-DPN在氧化石墨烯表面书写磷脂酰胆碱的多层次纳米结构, (b)为其AFM扫描图像, (c)为(b)中标记线部分的高度分布[35]Figure4. (a) Schematic presentation of the lipid-DPN, using the differences between hydrophilic and hydrophobic sites of phospholi-pid molecules, it is available to transport multiple phospholipid layers to form stacks; (b) AFM images of L-DPN generated lipid membranes (DOPC) on graphene oxide surfaces in air; (c) AFM height measurements of the same patches measured between the red dots shown in (b)[35].
3
2.1.2.固态墨料
随着DPN技术的日益成熟, 研究者们不再止足于常温液态的反应体系. 2004年, Sheehan等[15]研究者通过在悬臂上附加加热装置, 将整个悬臂变成一个100 ℃的“烙铁”, 使之可以融化黏附在悬臂上的常温固态的十八烷基磷酸(OPA)墨料, 融化的墨料填充了针尖与基底的空隙, 进而沉积在云母或氧化铝基底表面(见图5). 这种装备有加热部件的DPN衍生技术也被称为thermal-DPN (t-DPN). 2006年, Nelson等[36]研究者使用t-DPN融化了铟金属并以80 nm的宽度进行了书写, 为金属纳米刻印开辟了新的思路.
图 5 (a) t-DPN示意图, 加热悬臂将使粘附在针尖上的固态墨料融化为液态, 在针尖扫描过程中液态墨料留在基底上并冷却沉积; (b) 在云母基底上沉积熔点较高的墨料OPA后的LFM扫描图像, 随着针尖的冷却, 书写得到的OPA纳米线愈发模糊[15]; (c) 对于低熔点的墨料分子MHA, 升高针尖温度将显著增大书写印迹、降低纳米图像的精细度[37]Figure5. (a) Schematic illustration of thermal-DPN, heating the cantilever turns adhered solid ink into liquid, then liquid ink is transported onto the substrate and cool back to solid; (b) LFM image of a mica surface scanned with a coated AFM cantilever tip for 60 s in each of three lines, the cantilever is heated for the first line (upper left), then allows to cool during the second two, OPA continues to transfer from the tip onto the surface after the cantilever heater has been turned off, reproduced with permission[15]; (c) LFM image of MHA dot patterns generated via tDPN on a gold substrate at different tip temperatures[37].
为了进一步开发t-DPN技术, 研究者们设计实验并发现了通过改变针尖部分的温度, 可以控制墨水传输和沉积痕迹的尺寸, 更高的温度会导致液化墨料以更快的速度扩散, 同时更长的冷却时间延长了墨料处于液态的时间, 进一步增大了沉积痕迹的半径[37]. 另一批研究者观察了t-DPN实验过程中从加热的尖端产生的熔融态聚乙烯的纳米级流动, 认为聚乙烯墨料的流动取决于其液态层的毛细作用力, 而不由针尖和基底之间的剪切力决定, 且可以通过改变温度调控熔融态聚乙烯的黏稠度, 以调节书写过程中墨料的流量[38]. 此性质与常规液体油墨类非常相近, 而可受温度的调控则是t-DPN的一大额外优势.
如今, 在悬臂外侧安置或内部集成加热器的t-DPN技术已经非常成熟化并商业化, 它不仅成功将常温固态的墨料纳入了纳米制造的体系, 更可以作为一种实现热化学反应的手段. 通过预先设计基底、墨料或针尖上的基团类型, 高温可以直接催化各底物间的反应, 利用高温探针在指定区域扫描留下热痕[39]. 此外, 升温对大多数化学反应的加速作用使得t-DPN技术具有更高的反应通量与化学体系上的普适性.
2
2.2.多悬臂阵列
DPN脱胎于单悬臂的扫描探针技术, 得益于单探针的精准操控与反馈, 具有优秀的灵活性与高精细度, 但因此它的吞吐量很低, 难以应对成规模的纳米图案刻印任务. 为了应对这一挑战, 成阵列的多悬臂parallel-DPN (p-DPN)技术被提了出来. 由电机操控时, 仅选取悬臂阵列中的一根用于系统监控, 而其他针尖将被动地与受控针并行运动以完成大规模“书写”, 进而大大拓展DPN的吞吐量.p-DPN在2000年以8针阵列首次实现[40], 每一组留在金质基底上的硫醇单分子层都保持了40 nm的特征直径. 2005年, Salaita等[41]成功实现了250个悬臂的并行阵列, 2006年在1 cm2的面积上使用55000个针尖的阵列实现了大规模DPN并行化[42]. 如此高密度的阵列标志着高通量刻印具有可行性, 通过自由组合阵列可以构筑不同尺度的复杂团案, 如果说DPN是一支笔的“书写”, 那么p-DPN已可称为雕版“印刷”.
另外, 通过引入悬臂阵列, 同组针尖可以使用不同种油墨涂覆(图6(a)), 从而在基底上实现多种组分交织而成的复杂团案(图6(b)). 而这种图案以往在单悬臂的DPN中只能通过频繁更换针尖来实现, 且将蘸有不同组分墨料的针尖更换后彼此对齐更是一项费时费力的操作[43]—P-DPN操控大量针尖并行运动, 显著便捷而又不失精准地实现了这一印写需求[44].
图 6 (a) 使用压电喷管控制墨水流量, 在同一阵列的不同针尖上分别添加不同成分的墨水; (b) 蘸有不同墨水的针尖阵列并行书写Figure6. (a) Addressable inking of pen arrays by inkjet printing; (b) multiplexed dip-pen nanolithography.
2
2.3.软针尖的聚合笔刻印
将探针并行成阵列虽然大幅提高了DPN的实用规模, 但另一个问题也随之被放大—探针的原材料以昂贵的陶瓷、合金为主, 且制造其悬臂针尖结构要求复杂的工艺, 这导致并行大量探针的p-DPN技术的经济成本居高不下.正因如此, 聚合物笔刻印术(polymer pen lithography, PPL)应运而生, 它的出现对于DPN的发展具有重要的意义. PPL舍弃了基于SPL扫描探针的悬臂结构, 直接使用弹性聚合物橡胶作为针尖以履行“笔”的蘸墨功能, 这种针尖通常由聚二甲基硅氧烷类(polydimethylsiloxane, PDMS)的硅橡胶制成, 工艺流程如图7(a)所示, 将PDMS橡胶在硬质硅凹模板上凝固成型, 具有快速制作、低成本、大规模的优异属性; 在凝固过程中将一块玻璃作为衬底粘附到针尖阵列的背面即可以安装到常规的DPN用仪器上使用, 并且能获得与p-DPN技术相一致的并行印刷特性[44]. 如图7(b)所示手掌大小的PPL阵列上具有高达1100万个呈金字塔式的针尖(见图7(c)). 如此高效便捷的针尖制造方式大大拓展了DPN及衍生技术在大规模刻印应用中的潜力.
图 7 (a) 利用硬质硅模板对PDMS橡胶成型, 只需使用刻蚀工艺打造一块硅模板便可以源源不断的生产PDMS阵列成型; (b) 集成了1100万针尖的一块针尖阵列; (c) SEM扫描到的针尖阵列图像, 单个针尖的直径可达到70 nm[44]Figure7. (a) Schematic illustration of the polymer pen preparation; (b) a photograph of an 11-million-pen array; (c) SEM image of the polymer pen array, the average tip radius of curvature is 70 nm[44].
PPL另外一个值得注意的特质, 在于其针尖作为一种软橡胶, 具有和陶瓷扫描探针不同的弹性特性, 随着接触压力的变化其接触面积也会增大(见图8). 利用这种特性, 可通过观察阵列中不同位点处软针尖的形变, 半定量地对该点的接触压力进行估算, 进而对整个阵列进行校平, 以提升图像的均匀性[45-47]. 在此基础上, 研究者们进一步改良, 在2012年得到了一种复合型的PPL阵列, 其针尖靠近顶点的部分由较硬的聚合物制成, 其余部分由较软的弹性体制成[48]. 当针尖与基底接触时, 较软的弹性体首先受力变形, 从而分散了不同接触点位的针尖压力, 使得针尖阵列与基底接触时的不均匀性显著减小, 得到高质量的大规模纳米图案.
图 8 在使用PPL时, 压印痕迹大小随软针尖阵列纵向移动的变化形势, 软针尖与基底的接触面积会随压力一同增大[44]Figure8. Ink dot size as a function of relative z-piezo extension in PPL, the contact area between soft tip and substrate gets larger as the pressure increases[44].
2
2.4.基于化学体系的DPN拓展
在p-DPN, PPL等技术提高书写通量、增大刻印规模的同时, 研究者们还致力于将若干较为成熟的化学反应体系与DPN技术相结合, 使其在纳米尺度上成为研究一些反应体系的有力工具. 在之前固相墨水的部分已经提到了热化学在t-DPN中的应用, 下文将视角移向电化学、金属催化、生物催化等反应体系.3
2.4.1.电化学DPN
2001年, 电化学体系被引入与基于AFM的DPN技术相结合, 以电化学蘸笔纳米刻印(electrochemical DPN e-DPN) 为名被开发用于制造金属与半导体的纳米结构. 如图9所示, 以金属盐溶液为墨水, 液体弯月面连接着针尖与基底, 并由于两者通电形成了一个标准的电化学池[49]. 随着针尖的缓慢移动, 基底的扫描路径上将沉积有纳米级电镀金属层. 由此推而广之, 带电有机分子的溶液同样可以依靠液体两端的电势差驱动分子向基板电极上转移并沉积.
图 9 (a) e-DPN示意图, 外接电源构造针尖与基底的电势差, 利用弯月面内的离子溶液导电, 构建纳米级电化学池; (b) 使用e-DPN书写的铂纳米图案, 书写的宽度可达到30 nm[49]Figure9. (a) Schematic diagram of e-DPN, a nano-scale electrochemical cell is set up with conductive tip, substrate, solution meniscus, and external voltage; (b) Pt-nano-image written with e-DPN, width of writing is 30 nm[49].
Maynor等[50]研究者使用e-DPN技术, 以100 nm的特征直径将聚噻吩纳米线沉积在半导体与绝缘体表面上; 对于已完成一定构筑的纳米图案[51], 则可以使用e-DPN技术进一步处理实现局部化学改性, 如对已沉积于基底上的GaN纳米线进行局部处理来制造纳米级氮化镓-氧化镓异质结构[16]. Agarwal等[52]则利用e-DPN, 通过针尖诱导的金属螯合(Ni-His成键)将带组氨酸的蛋白质固定在金属镍表面上. 当然, 墨水离子被还原在连通负极的基底上时, 连接正极的针尖同样在进行着与之对应的氧化反应, 如何保持这个微纳级电化学池内体系的稳定乃至安全是工作者们设计实验时所要考虑的问题.
3
2.4.2.金属、有机催化书写
通过针尖施加催化作用, 探针在DPN投送墨料的同时便可以直接催化墨料与基底之间特定基团的高效反应. 由烙铁加热高温针尖诱发热化学反应是一类可行的反应路径[39], 而通过预修饰处理等手段在针尖上锚定金属类、生化催化剂则是另一种高效的方法.以铂、钯、铜为代表的金属催化剂, 可将其用作针尖的外镀层以在接触扫描时直接催化墨水分子与基底底物的反应[53], 如图10所示, 大量成熟的“点击”合成体系因此被引入了纳米制造领域. 还可以通过化学手段在针尖上链接修饰生物催化剂, 例如碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)或辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase)[54,55], 从而催化相应的生化反应. 需要指出的是, 向生物材料基底施加催化作用往往要求针尖的材质尽量软化以减少对基底表层的破坏, 这正是软针尖的PPL的优势[56], 基于生化催化的纳米生物制造技术因此发展得更加规模化与便捷化.
图 10 基于金属催化反应衍生的DPN体系 (a) Pt催化叠氮分解; (b) Cu催化叠氮与炔的成环点击反应; (c) Pd催化硅氢加成反应[53]; (d) AP酶催化制备的氯化硝基四氮唑蓝纳米图案, 特征直径为150 nm[54]Figure10. Schematic illustration of several DPN derivative from mental catalysed reaction: (a) Azide reductions; (b) CuAAC “click” ligations; (c) hydrosilylation[53];(d) AFM topography images showing features consisting of precipitated itro-blue tetrazolium (NBT) following nanolithography with a probe-bound AP enzyme[54].
而在20世纪中期, 一些研究者发现剪切力会破坏高分子中的共价连接从而引发高分子降解[58], 这让人们意识到机械作用的价值也不仅仅在挤压、摩擦, 也在于剪切、拉伸等过程. 不久, 逐渐出现了一些关于外加力如何通过改变分子势能面进而影响化学反应的理论[59-61], 这些理论工作促使力化学进入了定量研究阶段.
当然, 现代力化学依然是一门非常年轻的学科, 它与生物力学、力响应高分子、点击合成等前沿交叉领域的研究内容相辅相成, 拥有一系列日趋成熟的研究方法. 下文将从挤压、拉伸等直观的研究手段出发, 介绍力化学将如何为DPN技术提供新的反应体系.
2
3.1.挤压作用与研磨
近代以来, 利用研磨过程中的碰撞、挤压、摩擦等机械作用, 固相合成为了力化学体系的代表. 在固相中, 反应物的分子处于受限状态, 其构象相对固定, 可以利用形成分子晶体、包结物混晶、基激配合物等手段控制反应物分子构型, 实现对应选择性的固相不对称合成; 另一方面, 以研磨为代表的固相有机反应操作非常简便, Toda等[62]对于有机固相反应进行了深入的研究, 使得常温固相反应低能耗、高收率的特征在有机合成中得以充分展示.研磨挤压的机械效应对于某些化学反应具有独特的促进作用, 这一类反应的本质可以参考经典的亲核反应, 局部的碰撞会压迫亲核试剂中带负电部分进攻底物中不饱和化学键带部分正电荷的一端. 当然若要建立完备的理论模型则需要具体考虑挤压力的加载速率、底物的分子势能面等诸多因素[60].
在研究挤压作用时, 最有力的工具早已不再是自古传承至今的研钵, 现代使用的研磨工具是高速球磨仪, 通过利用旋转、振荡舱体时舱内硬质小球的惯性, 将底物裹挟在小球-小球、小球-舱壁间进行连续高速碰撞. 当然定量计算底物分子间相互作用强度需要从宏观的挤压力或振荡功率出发建立一套复杂的动力学模型, 但这对于研究研磨反应往往不是必要的. 也因此, 大多数固相研磨实验并不注重理论计算, 直接对底物的电子云特性出发对反应体系进行设计与摸索, 探究高效便捷的合成路径, 一个典型的体系如图11所示[63]. 将等物质的量的异硫氰酸酯和芳香胺混合, 置于室温下研磨5—40 min, 可得到89.5%—96.0%产率的N, N二取代的硫脲, 其产率与反应时间要显著优于液相下的合成.
图 11 N, N二取代硫脲的球磨合成反应Figure11. Synthetic reaction of N, N-disubstituted thiourea by ball-milling.
在长期的实验积累之后, Kaupp教授从大量的实验事实出发, 充分验证了基于无机反应实验开发的固相反应在应用于有机化学时可以使其脱离化学平衡制约的观点. 2001年9月, Kaupp教授在意大利Venice大学举办的绿色化学专题研讨会上系统地介绍了他研究过的25大类固相化学反应, 涉及1000多个反应物为有机固相体系, 其中有些仅仅是单步反应, 而有些则高达5步; 有些以克为单位在研钵中进行, 而有些以千克为单位在大型球磨机中进行. 这诸多的常温反应体系, 在经过研磨过后其反应程度均达到或接近于100%, 显著高于其相对应的液相反应[64]. 这充分证明了挤压形式的机械力具有调节化学反应通路的作用, 合理的底物设计可发扬这一反应简捷高效的优势.
当然, 使用球磨也不必拘泥于固相或是无催化体系, 通过使用少量有机溶剂、金属离子盐溶液等作为分散剂, Crossey等[65]利用球磨仪完成了数种多环有机物的合成与修饰; Kubota等[66]则大胆的将压电材料(钛酸钡)添加到球磨的底物中, 通过对压电材料的机械挤压直接产生自由基以催化底物间的一系列加成反应, 并且做到了95%以上的钛酸钡回收率.
2
3.2.拉伸与超声
随着高分子聚合物相关研究的推进, 研究者们希望对高分子材料的力学响应进行设计, 一些宏观力化学研究方法得以发展. 如流变(rheology)[67], 作为一种对材料具有一定破坏性的实验手段, 通过对高分子材料施加瞬时或周期性的剪切力、轴向压力, 可以得到其相应的力学反馈, 亦可以作为对材料施加机械作用的力化学反应手段. 此外, 将高分子网络(乃至多网络水凝胶)连续置于不同的溶剂环境中, 渗透压将驱动高分子网络发生伸展或收缩, 将机械力施加到交联的高分子上[68], 这种更加温和的方式有助于研究力化学反应平衡[69]. 而要具体研究在单分子长链中施加的机械拉伸作用, 以超声振荡为代表的液相拉伸技术就是非常有力的工具.超声振荡可以对单分子长链的两端施加相反的一组牵拉力, 对其起到拉伸作用, 再通过超滤、树脂吸附等方法研究者们可以对产物进行分离纯化, 进而通过一系列化学表征手段对拉伸形式的力化学反应体系建立起直观的印象. 超声波拉伸高分子链的理论基础在于溶剂动态剪切效应(solvodynamic shear)[18,70]. 如图12(a)所示, 液相声场内的压力波会导致微泡(microbubble)的快速形成、生长和破裂, 此所谓空化效应(cavitation), 微泡的破裂将形成液体内的压差, 其产生的空间会迅速被附近的溶剂分子再度填充, 对高分子链片段施加拉扯作用(图12(b)), 如图所示, 越是接近微泡的高分子链部分其受到的牵拉越强, 高分子主链上会就此产生一个速度差, 沿着微泡方向被拉伸.
图 12 超声振荡示意图 (a) 振荡在溶液中产生若干微泡; (b) 微泡的空化效应对溶液中的高分子链产生拉伸作用Figure12. Schematic illustration of ultrasonic vibration: (a) the microbubbles produced by ultrasonic vibration; (b) chain stretched because of cavitation.
表1[71]所示为影响超声效果的因素. 从表1可以看出, 溶剂黏度、温度、超声强度将决定空泡效应的剧烈程度, 进而影响高分子链的受力; 此外分子链的化学构成[72,73]、结构长度[74]也将影响它对拉伸的响应, 牵拉力的大小将与链长的二次方呈正比[75].
| 调节变量 | 拉伸效果变化 |
| 增大超声强度 | 空化效应增强直至达到一个上限, 拉伸效果增强 |
| 增大溶剂蒸气压 | 空化效应受到气蚀缓冲而削弱, 拉伸效果降低 |
| 增大溶剂黏度 | 空化效应削弱, 拉伸效果降低 |
| 升高温度 | 导致溶剂蒸气压增大, 拉伸效果降低 |
| 提升聚合物浓度 | 导致溶剂黏度增大, 拉伸效果降低 |
表1影响超声效果的数个要素[71]
Table1.Several elements that influence ultrasonic stretch[71]
在碳同位素标记[76]、分子链长度[77]等控制实验的验证下, 超声实验可以排除其他因素的干扰, 确定化学结构的转变完全来自于机械力的作用. 通过进一步的分离、收集产物并通过傅里叶红外谱、核磁共振、凝胶色谱等方法表征, 研究者们可以得到超声这一拉伸手段介导力化学反应的直接印证. 图13所示为马来酰亚胺硫醚键的超声开环实验及其核磁共振氢谱表征[78]. 注意到碱处理将使硫醚键开环, 在核磁共振氢谱上表现为特征峰a, b偏移到了AP2的c, d; 由超声处理样品的部分峰偏移推知超声拉伸可致部分硫醚键直接开环.
图 13 马来酰亚胺-巯基合成物的超声拉伸实验示意 (a) 高分子P2, 由4, 4-双马来酰亚胺二苯甲烷分别在两侧连接分子量为5k的巯基末端聚乙二醇链得到, 每个P2分子中部有两个由巯基与马来酰亚胺结合成的硫醚键, AP2为P2接受碱处理后的产物, UP2为P2接受超声拉伸后的混合物; (b) 高分子P2及其分别接受碱处理、超声处理的产物的傅里叶红外光谱对比[78]Figure13. Schematic presentation of maleimide–thiol adducts stretched by ultrasonication: (a) P2 is a polymer chain synthesized by treating a thiol-terminated PEG (Mw, 5kDa) with 4, 4′-bis-maleimidodiphenylmethane, the following process is alkaline treatment for AP2 or ultrasonication for UP2; (b) 1 H NMR spectra in dimethyl sulfoxide-d6 (DMSO-d6) of P2, P2 after alkaline treatment (AP2) and P2 after ultrasonication for 30 min (UP2)[78].
2
3.3.单分子力谱
为了测量单分子、高分子内化学键解离或其他力致的构象变化, 单分子力谱(single-molecule force spectroscopy, SMFS)是一类成熟的研究手段, 现有的单分子力谱技术可根据其实验工具的不同大抵分为: 玻璃微管技术(glass microneedles)、光镊(optical tweezer)、磁镊(magnetic tweezer)、生物膜力学探针(BFP)以及AFM, 它们有各自的适用力范围与时间尺度[79-82]. 其中最值得力化学关注的便是AFM, 它的测量范围可达到数纳牛, 能够准确捕捉到共价键解离力级别的力响应. 值得注意的是, DPN技术也正是基于AFM开发的, 了解AFM对单分子长链在垂直方向对力矢量的操控, 将有助于理解力化学体系与DPN技术的结合.如图14所示, 针尖与基底接触后悬臂将发生遵从胡克定律的弹性形变, 激光器发出激光打在探针悬臂背面, 悬臂受力的微小形变将经过光学放大, 由光电二极管检测器上的光斑位移变化反映悬臂的形变和样品形貌; 通过校准并预先测量悬臂的劲度系数、激光反射的放大倍率, 可将激光信号处理得到悬臂的受力(即针尖与基底的接触压力).
图 14 AFM示意图Figure14. Schematic diagram of AFM.
一次完整的单分子力谱事件由4部分组成(见图15), 首先是悬臂匀速自由下针(①); 在针尖接触到基底后, 操控悬臂的电机将继续向下匀速下沉, 带动针尖持续挤压基底, 且压力会随着悬臂形变的线性增大而同步上升, 直到在激光接收器确认压力到达设定值便会关停电机、锁定悬臂, 保持住针尖的受力, 正是在这停留的时间内, 原本一端被锚定在针尖上的高分子链, 其另一端(下称“自由端”)可以与基底上的活性基团发生反应从而连接在基底上, 即针尖与基底通过高分子链被结合为一体(②); 接下来, 在电机操控悬臂上抬时, 锚定在针尖上的高分子链一端会同步上抬, 由于高分子链的“自由端”已经与基底形成稳固的连接, 在链展开的过程中针尖会受到一个向下的牵引力(等同于高分子链的张力), 这个力会越来越大直到分子链中(包含“自由端”与基底的反应连接点)最脆弱、强度最低的化学键断裂(③); 之后, 脱离束缚的悬臂不再受到牵引力, 与电机同步抬离基底(④).
图 15 针尖修饰高分子链时, 一个完整的下针、上抬流程 ①自由下针; ②针尖挤压基底, 分子链“自由端”结合到基底上; ③针尖抬离基底, 分子链被拉伸; ④分子链断裂后针尖不受束缚地自由抬起Figure15. Schematic presentation of a full circle of cantilever’s trace and retrace driven by AFM. One terminal of the polymer chain is linked on the AFM tip and the other side is “free”: ① Cantilever approaches the substrate; ② tip contacts the substrate and the pressure keeps increasing until it reaches the setpoint. The “free” terminal links to the substrate; ③ as cantilever retracting, polymer chain is stretched and a pulling force is applied to the tip; ④ polymer chain is broken and cantilever leaves the substrate with no bound.
基于AFM的单分子力谱的奇妙之处就在于, 在一个完整的下针、抬针循环过程中既有挤压也有拉伸的机械作用. 如此, 通过设计高分子链内部及其与针尖或基底的化学连接, 可以实现单分子力化学的矢量操控. 正是得益于AFM高精度的力操控, 力化学近年来在研究分子拉力[76,83-88]或压力[89-91]的力化学响应方面取得了长足的进步.
研究由压力介导的力化学反应, 可以选取仅末端含有特殊官能团高分子链(以主体结构极为稳固的聚乙二醇链为多), 使用硅烷偶联剂、催化肽键等处理手法将高分子链一端以强共价键锚定在针尖上[92-95], 则基底与高分子链“自由端”上的基团可用于研究压力诱导的力化学反应: 若“自由端”与基底结合, 上抬针时便会出现图15 ③ 中具有高度识别特征的牵引力曲线, 这是一种被称为蠕虫链(worm-like chain, WLC)的高分子链弹性响应曲线, 由于其同时考虑了熵和焓对链弹性的贡献, 是一种被广为接受的分子链模型[96-98]. 若已知基底与“自由端”基团在一般共存的情况下不自发反应, 那么便可认为是压力导致了两者的结合; 对蠕虫链的特征参数(链轮廓长度、持续长度)提取计算, 若其符合单链特征便可以判定这是一个单分子事件, 进而使用力加载速率等构建相应的动力学模型[99,100].
若要研究拉力对特定化学键的影响, 则可以将该化学键预先合成在高分子链内部, 另外设计一对高反应活性、产物稳固的化学体系分别作为基底和“自由端”, 这样在抬针过程中待研究的化学键将会是针尖-高分子链-基底这一整体结构中键强度最低的部分, 便于调控AFM的操作参数. 值得注意的是, 悬臂通过激光反射路径来测量受力形变, 不仅测量与基底相压时的压力形变, 还可以测量受到高分子链牵引时的拉力形变. 这意味着可以在分子链断裂前控制拉力的大小, 设计拉伸只改变分子链的部分结构而不至完全断裂的反应体系[78]. 这样的设计思路不仅着眼于某个化学键的强弱, 整合了多个力响应分子的高分子链在特定操控下还可选择性地活化特定的力响应结构, 因此在多个交叉领域具有良好的应用前景.
2
3.4.力化学与DPN的结合
目前学界只有少量的研究组展开了一些利用机械作用直接促进化学反应进行的压印工作[101]. 在依靠力化学原理进行书写时, DPN墨料的输运的第3步—沉积到基底表面的自组装将可被针尖机械力作用所取代, 书写的分辨率将完全与探针针尖的尺寸相绑定, 不必担心墨料有溢出、扩散的污染, 有望实现高精度的图案打印. 当然另一方面, 可供力化学打印使用的反应体系仍需要更多的探索.2013年, Braunschweig课题组[102]利用机械力促进了Diels-Alder反应, 成功使环戊二烯在石墨烯表层连续加成形成堆叠. 紧接着在2014年, 此课题组同样利用力化学书写实现了叠氮和炔的点击成环反应(见图16(b))[103]. 在这两项工作中使用的都是软针尖的PPL, 针尖的印记已经达到微米级[104](见图16(a)). 需要注意到的是, 力化学书写时针尖需要与基底紧密接触, 当针尖逼近基底时若墨料小分子没有吸附聚集到针尖下压的点位, 则反应的通量将非常低, 因此需要更粗大的针尖缓慢靠近基底才能维持两者之间墨料小分子的数量, 且在原点重复若干次压印才容易得到好的效果.
图 16 (a) 使用聚合物笔阵列蘸墨, 将含炔的墨水打印到修饰有叠氮的基板; (b) 在针尖碰撞基底的位置, 机械挤压作用会介导叠氮与炔的合成反应(Huisgen反应), 而未碰撞的位置上则不会发生该反应; (c) 在不同挤压时间及挤压压力下, 力致 PPL加工得到的微纳图案在荧光染色后的图像[103]Figure16. Schematic presentation of Alkyne-Azide “printing” by polymer pen nanolithography: (a) Polymer pen arrays are dipped with alkyne solution and substrate is modified with azide molecules; (b) addition reaction can only be triggered by mechanical force, the substrate part away from contact is reaction-forbidden; (c) fluorescent images of 2 × 3 dot arrays of 1 printed at different time (0, 60, 180, 300, 420, 600 s) and pressure (0.29, 0.32, 0.34, 0.37, 0.39, 0.42 MPa)[103].
当然, 一个可行的升级方案是, 选取具有一定非特异性吸附能力的墨料分子, 使其自然聚集在针尖或基板的表面维持浓度, 机械挤压过程将引发墨料与基底的结合, 在力化学书写结束后只需设计冲洗溶剂以消除非特异性吸附, 便能在基底上留下明显的力化学反应痕迹. 或者设计一种具有两个官能团的墨料复合体, 其中一个官能团可以与修饰后的针尖建立可逆的非共价链接, 另一个则在机械力介导下与基底形成不可逆的强共价键, 在这一典型的力响应结构中墨料分子将倾向于使弱键先断裂从而以强键固定在基底上. 如此甚至可以直接在完全液相的溶剂环境内进行实验而不必反复给针尖上墨水, 因为非共价键的形成就是“蘸墨”的过程, 力化学的独特反应体系可以保证未被针尖施加机械作用的基底不会与溶剂内的墨水小分子反应, 因而可以使用更尖锐的针尖进行快速高分辨书写.
除去压力直接介导的各类化学反应, 刮擦效应作为一类能有效破坏分子结构的机械作用同样具备与DPN相结合的潜质. 利用硬质针尖与基底接触时的刮擦机械力, 蘸笔纳米置换刻印术(dip-pen nanodisplacement lithography, DNL)被开发出来. Zheng教授团队[105]认识到, 表面已生成致密单分子膜的基底在被针尖以强接触力扫描时其单分子层将被机械作用所剥离, 若墨水内含有的是原单分子层的单体则被破坏的位点将随之填充修复; 但若墨料是另一种可在基底上完成自组装的分子, 则该分子将占据基底上被暴露的位点, 实现扫描路径上单分子层的局部改性, 如图17所示.
图 17 (a) DNL流程示意图; (b), (c) DNL制备的MUDBr纳米结构的LFM图像, 前者在边长2 μm的刮擦图像中保持了加工结构的均匀, 后者使用了单次、1000 nN的压力来对每个点位施加机械作用, 得到单点位特征直径仅为25 nm的成规模的纳米点阵[105]Figure17. (a) Schematic illustration of the fabrication of polymer brushes by DNL; (b) LFM image of a MUDBr square written by DNL; (c) MUDBr nanodots made by DNL at constant tip-substrate contact force (1000 nN), but different tip-substrate contact time. Each dot is made by indenting the tip onto the MHA-Au one at a time[105]
金质基底预先经过16-巯基十六烷基酸(16-mercaptohexadecanoic acid, MHA)处理, 通过金-硫键构建了致密的MHA单分子层. 如图17(a)所示, 此时将AFM针尖与基底的扫描接触力增高到10 nN以上, 施加很强的刮擦机械作用, 扫描路径上的金-硫键将因此被打断, 致使MHA分子被剥离基底并稀释到墨水内. 紧接着, 墨料分子溴代异丙酰氧基十一烷基硫醇(ω-mercaptoundecyl bromoisobutyrate, MUDBr)将与暴露的金基底形成新的金-硫键并稳定, 这一剥离-生长过程被称为纳米置换(nanodisplacement). MUDBr作为一种卓越的表面引发原子转移自由基聚合(surface-initiated atomic transfer radical polymerization, SI-ATRP)引发剂, 可在原扫描路径上进一步引发聚合反应从而生成聚合物刷(polymer brushes). 通过调节扫描时针尖压力的大小、引发剂墨水的浓度或构成、聚合物刷的单体种类等可以进一步控制聚合物刷的物化性质. Chen的团队[106]更是受到传统光刻术制造3D纳米结构的启发, 以多针尖阵列在复合金基底上使用DNL技术生长了PMMA聚合物刷, 利用聚合物刷的化学耐受性, 刻蚀制造了宽度为70 nm的立体纳米图案, 如图18所示[107].
图 18 (a) 利用DNL制作抗刻蚀的PMMA聚合物刷, 进而刻蚀金纳米点阵的流程示意; (b) 对制成的金纳米结构的AFM扫描图像; (c) 对大规模金纳米结构点阵的SEM扫描图像[107]Figure18. (a) Schematic of the fabrication of Au nanostructures by parallel DNL, SI-ATRP, and wet-chemical etching; (b) AFM topography of the resulting Au structures; (c) SEM image of the fabricated Au nanorod arrays[107]
需要注意到, 在其他DPN衍生技术中针尖的主要功能是黏附墨水、维持弯月面, 无法直接参与到墨料在基底表面的自组装. 但在以机械作用为主导的DNL技术中, 针尖是能量的直接施与者, 只有在针尖与基底紧密接触的位点才有发生力化学反应的可能, 研究者们由AFM对探针的精密操控在被单分子层覆盖的基底上破坏自组装连接、刻写特定的纳米图案, 在未接触的位点单分子层则起到了屏蔽墨料分子的作用. 虽然这一力化学过程并不直接介导聚合引发剂结合基底的反应, 但DNL制造的纳米图案精细度能够与针尖的大小直接绑定正是源于针尖与基底的刮擦机械作用.
有趣的是, 力化学领域有一系列可产生自由基的反应体系, 也许可以越过纳米置换SI-ATRP引发剂的步骤直接产生聚合物. Kubota等[66]的球磨实验等已经证明了通过压电材料, 机械能量可转化为自由基从而诱发合成反应, 那么以聚合物单体为墨料、压电材料构成基底或针尖的DPN衍生体系将会是极具可能性的研究方向; Piermattei等[84]的工作则指出, 某些金属离子络合物在拉伸致解离后, 端基具有诱发聚合的活性, 这在超声实验及后续的聚合催化实验中得到了验证. 以AFM等工具为手段, 探寻这些机械作用致化学反应的体系在单分子层面的表现, 进而与DPN技术相结合, 这将开拓一片充满机遇与挑战的全新领域.
| 纳米加工技术 | 加工尺度 | 技术优势 | 技术局限性 |
| DPN | 30—100 nm | 快速书写; 高操控性 | 低通量, 低规模 |
| t-DPN | 100 nm—10 μm | 可使用常温固态的墨料; 升温加速反应; 加工尺度一定程度上受温度调节 | 墨料易扩散污染基底 |
| Lipid-DPN | 200—500 nm | 磷脂预自组装可形成多层堆叠的立体结构 | 较难通过针尖控制纳米结构的形态 |
| e-DPN | 30—100 nm | 可用于金属离子电镀、局部电改性 | 针尖电极的产物影响操控性 |
| 金属、生物催 化DPN | 80—150 nm | 催化加工生物软材料的纳米结构 | 硬质陶瓷针尖易对软材料产生机械破坏 |
| p-DPN | 40—100 nm | 多针尖, 大规模高通量纳米加工 | 成本昂贵 |
| PPL | 200 nm—50 μm | 低成本大规模纳米加工 | 难以对针尖进行化学修饰; 弹性针尖受力大幅形变 |
| HSL | 50 nm | 尖端坚固不形变、精细度较高的大 规模聚合物笔纳米加工 | 针尖制造流程复杂 |
| DNL | 25—75 nm | 可控高精细度; 无扩散污染; 与三维刻蚀结合 | 针尖成本高、长时间受大机械力易损耗; 适用的 化学体系不多, 待进一步开发 |
表2不同DPN衍生技术的加工尺度、技术优势与局限性
Table2.The fabrication scales, advantages, and limitations among all derivatives of DPN.
作为一种独特的纳米加工技术, DPN与传统的光刻术(photolithography)在原理上有着很大的区别. 光刻术利用光栅突破了光学衍射限制, 可以在特定区域刻蚀加工特征尺度不足100 nm的精密结构[112,113]. 当然, 不论是以极紫外为代表的光学光刻还是电子束光刻, 束流的曝光邻近效应限制了光刻纳米结构的精细度[114], 进而要求了对抗刻蚀剂的慎重选择且需要极长的曝光时间. 而DPN及其衍生技术的加工尺度则直接取决于针尖的直径, 一般在20—150 nm间订制可选, 聚合物笔的直径则可达到50 μm; 考虑到大部分DPN类技术依靠的是墨料与基底的快速自组装, 对单个点位的加工时间仅需数秒, 甚至可以让针尖以μm/s的速度移动“书写”. 这当然也带来了一定的不足, 包括墨水溢出扫描路径时的扩散污染以及长时间书写后墨料浓度降低致使纳米结构不均匀. 这时, 以机械作用为主导的DNL技术便展现了其优势, 由于“无力不反应”的特性, DNL可以在大体积的液相墨水中工作而不用担心扫描轨迹以外的基底与墨料发生组装, 解决了墨料不足及基底污染的问题; 另一方面, DNL的后续SI-ATRP加工操作可以在基底表面生长出抗化学刻蚀的聚合物刷, 进而展现出与传统光刻术相近的三维纳米结构制造特性.
DPN衍生技术与力化学研究都正处于蓬勃的发展期, 可以预见的是, 作为连接两者的重要桥梁, 探针相关的工艺与技术将是未来发展的重点, 以机械作用为主导的DNL技术已经可以刻印25 nm尺度的纳米图案, 考虑到书写的分辨率直接取决于硬质针尖的大小, 突破当前的材料极限、制造更细小而不失坚固的针尖将会进一步提升纳米刻印术的精细度, 规模化、低成本的耐用硬质探针也同样具有价值; 同时, 聚合物软笔尖的尺寸虽高于硬质陶瓷针尖且难于进行表层化学修饰, 但它们也可以把大体积转化为优势, 通过在内部集成多阀微管以切换多种墨水, 实现复杂纳米结构的原位书写, 甚至可能实现有别于2D图案刻蚀处理为3D结构的、真正的纳米3D打印. 另一方面, 对不同墨料体系的认知也需要更多的研究进行推进, 传统DPN技术需要建立起更深入完备的液体转移动力学模型以确保相应书写内容分辨率的可控性, 在与力化学相结合后则要考量墨料中力催化、力响应结构等的反应体系设计. 随着DPN相关技术与力化学研究的协同发展, 低成本、高通用、易于操控可重复的刻印术将于不远的将来被开发出来, 成为纳米制造、界面科学、生物力学、软物质聚合物等诸多领域的研究人员的得力工具.
