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SF作为天然表面活性剂制造纳米器件，大大改善疏水表面的水润湿性
来源：高分子科学前沿 浏览 963 次 发布时间:2024-08-06
水基加工在高科技领域，尤其是电子学、材料科学和生命科学领域发挥着至关重要的作用，对开发高质量的可靠设备、提高制造效率、安全性和可持续性具有重要影响。在微米和纳米尺度上，水是连接生物和技术系统的独特桥梁。然而，水的高表面张力阻碍了生物纳米界面的润湿和制造，因此需要新的方法来克服由此带来的根本性挑战。
在此，塔夫茨大学Fiorenzo G.Omenetto教授课题组报告了使用丝纤维素作为表面活性剂来实现纳米级设备的水基加工。即使是微量（例如0.01 w/v%），丝纤维素也能大大提高表面覆盖率，在精确控制水基溶液与疏水性表面之间的界面能方面优于商用表面活性剂。这种效果归因于蚕丝分子的两亲性及其对具有不同表面能的基质的适应性吸附，从而促进了不可能配对的材料之间的分子间相互作用。通过制造从晶体管到光伏电池的水处理纳米器件，凸显了这种方法的多功能性。其性能与类似的真空处理设备相当，突出了这种方法在水基纳米制造方面的实用性和多功能性。相关成果以“Silk fibroin as a surfactant for water-based nanofabrication”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为Taehoon Kim。
SF作为天然表面活性剂
SF（蚕丝纤维素）是一种复杂的多嵌段共聚物，由多种氨基酸组成，具有两亲性特征（图1a），类似于合成表面活性剂的功能。实验显示，添加SF可以增强疏水性基底上旋涂水溶液的润湿性（图1b），并通过不同分子量（MW）和溶液浓度的控制，研究了这种润湿性变化。在处理过的疏水表面上，未处理和处理过的表面的接触角分别为110°和70°。实验中，SF链的分子量范围从350至70 kDa不等，较高分子量的LCF（长链丝心蛋白）在低浓度时即可实现较高的表面覆盖率，而SCF（短链丝心蛋白）则需更高浓度（图1c、d）。SF的润湿性能取决于其分子量、浓度及基材的表面能，表明其可能通过直接吸附于润湿界面起作用。根据聚合物吸附理论，SF中的疏水氨基酸通过范德华力与表面作用，而亲水部分则参与氢键和离子偶极子相互作用，起到促进水与表面间润湿的桥梁作用。
图1：SF作为天然表面活性剂
使用丝表面活性剂有效控制界面能量
润湿是液体在固体表面扩散以最小化自由能的现象，其效果通过界面张力和粘附功来定量评估。实验显示，添加SF30（煮沸30分钟的丝蛋白）到水溶液中，尽管表面张力与对照组相似，但显著降低了疏水性基底上的接触角（CA），表明润湿增强是由液固界面能的改变引起的，而非溶液表面能的变化（图2a,b）。SF30通过多嵌段共聚物结构的多样性有效调控界面能量，增强了润湿效果，其水溶液在疏水性表面上的覆盖率超过90%（图2d）。与商用表面活性剂相比，SF30在控制疏水表面的润湿性方面表现更优，即使这些表面活性剂能有效降低溶液的表面张力（图2c）。
图2：使用丝表面活性剂有效控制界面能量
丝在薄膜-基材界面的自适应吸附
图3a显示了丝蛋白（SF）在不同表面能的基底上的吸附机制，假设疏水结构域与非极性表面相互作用，而亲水结构域则面向溶液。作者通过X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）分析了掺有不同浓度SF的溶液在不同表面上的表现。XPS结果显示，在非极性基底上，高浓度SF溶液形成了含有蛋白质的薄膜，并且在高能离子轰击下薄膜和基底界面上仍保留有N1s信号（图3b,c）。AFM分析则揭示了不同基底上的表面拓扑结构，非极性基底上呈现平躺形状，而极性基底上则显示岛状聚集体（图3d）。研究表明，SF的吸附效率受表面能和分子量影响，并可有效增强润湿性。这一适应性吸附机制有助于在不同表面上快速形成高质量金属氧化物薄膜，无需调整沉积参数。
图3：丝表面活性剂在薄膜-固体界面上的自适应吸附
使用丝表面活性剂的水驱动纳米技术
图4展示了使用SF表面活性剂在憎水表面上制造水基纳米器件的过程及其特性。研究发现，SF的自分离特性在不影响器件性能的情况下，保证了薄膜的质量和功能。在含有0.03 w/v%SF的IGZO晶体管中，迁移率保持在1至10 cm²/V·s之间，只有在SF浓度超过0.1 w/v%时才略有下降。即使在疏水性表面上，SF的存在也没有显著影响电荷迁移率或引起非理想状态（图4a）。在电介质材料中，SF掺杂的Al2O3薄膜显示出良好的电气性能（图4b）。SF还被成功应用于制造基于MAPbI3和NiO的光电薄膜，这些薄膜在光照下产生光电流（图4c,d）。相比商用表面活性剂，SF用量更少且对器件性能影响更小，并具有生物友好性，适用于生物活性传感器和人机电子界面等领域，展示了在环保和经济效益上的优势。
图4：含有丝表面活性剂的水纳米器件
小结
本研究重新诠释了再生SF的分子结构，将其作为一种通用润湿剂用于水性纳米器件制造。表面覆盖率和界面能分析的经验证据证实，即使使用最小浓度的丝表面活性剂（低于0.01 w/v%），也能大大改善疏水表面的水润湿性，从而极大地扩展了加工用途。原子尺度的表面检测强调了SF的适应性吸附行为，这被认为是润湿增强的关键因素。这种天然表面活性剂可在水基上制造纳米器件，而无需事先进行任何表面改性，从而为材料科学增加了多种制造选择，简化了制造工艺，减少了对复杂或有毒化学品的需求。