北京時間2023年2月9日，康奈爾大學的楊蓉教授團隊與楊晶杰教授合作在Nature Synthesis上發表了一篇題為“Engineering solvation in initiated chemical vapour deposition for control over polymerization kinetics and material properties”的研究成果。
研究團隊提出氣相溶劑化策略，在全新的維度上，拓展了氣相沉積聚合物的聚合動力學和材料性質的可控性；該成果提出氣相溶劑化效應的理論動力學模型，為理解和設計分子水平的氣相復合、界面吸附和表面聚合過程提供理論基礎，加速開發先進聚合物薄膜材料。
論文的通訊作者是楊蓉、楊晶杰；第一作者是陳鵬宇。
聚合物薄膜由于其靈活的設計和豐富的功能，在芯片制造、生物傳感、清潔能源、先進涂層等眾多領域備受關注。長久以來，基于液相法的聚合物合成和薄膜加工已被廣泛應用于各種聚合物薄膜的制備，但液相法分離困難，且薄膜難以可控制備，很大程度制約了聚合物薄膜的開發和應用。
21世紀以來，引發式化學氣相沉積(initiated Chemical Vapour Deposition, iCVD)迅速發展，被廣泛應用于納米聚合物薄膜的可控制備。和傳統液相法相比，iCVD一步實現從單體到高純度聚合物薄膜的合成和加工，縮短了制造時間，減少了聚合物合成對環境的負面影響。同時，氣相沉積技術提供強大的原位實時監控和精準的物料輸送，實現在在納米尺度上薄膜厚度和組成的控制。楊蓉教授團隊致力于開發氣相合成聚合物的方法學，并探索聚合物薄膜在生物界面和清潔能源等領域的應用，取得了一系列研究進展（如Macromolecules 2020, 53 (24), 10699-10710; Front. Bioeng. Biotechnol. 2021, 309; Adv. Mater. Interfaces 2021, 8 (5), 2001791; ACS Biomater. Sci. Eng. 2021; Biomacromolecules 2021, 22 (12), 4933-4944; Matter 2021, 4 (11), 3753-3773; J. Mater. Chem. B 2022, 10 (14), 2728-2739; Sci. Adv. 2022, 8 (2), eabl8812; J. Vac. Sci. Technol. 2022, 40 (3), 33-406; Chem. Mater. 2022, 34 (13), 5960-5970; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (42), 19344-19352; ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10 (48), 15699-15713; Langmuir 2023, 39 (3), 1215-1226.）。近日，針對iCVD技術中材料特性與單體化學高度耦合的機制缺陷，研究團隊提出一種全新、簡單、強大的氣相溶劑化策略。該方法通過單體和溶劑之間的溶劑化行為形成分子復合物，影響單體的化學性質和界面吸附，進而調控界面的聚合反應動力學。該研究對上述過程進行了細致嚴謹的解構，提出氣相溶劑化效應的理論動力學模型，實現對氣相溶劑化效應下沉積動力學的準確預測。另外，區別于傳統的單體壓力和溫度等參數，氣相溶劑化策略帶來全新自由度，顯示出對沉積動力學、分子量和機械性能等方面廣泛的控制能力。同時，經由原位的氣相溶劑退火，氣相溶劑化策略賦予傳統iCVD控制下薄膜表面形貌的新特性。該研究為拓展聚合物薄膜在諸多領域的應用奠定了基礎。
圖1. 氣相溶劑化增強過程和材料性質可控性。
圖2. 氣相溶劑化的化學平衡主導沉積動力學。
圖3. 氣相溶劑化策略的溶劑通用性。
圖4. 氣相溶劑化還是界面溶劑化？
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00242-5
