“神奇”惰性蒸气分子溶剂创造出更强的薄膜

控制聚合物沉积动力学、分子量和薄膜机械性能的气相溶剂化策略。

“这种可扩展的引发化学气相沉积聚合的技术使我们能够制造新材料，而无需重新设计或改造整个化学过程。我们只需添加一种‘活性’溶剂，”史密斯化学与生物分子学院助理教授杨荣说。工程在康奈尔工程。“这有点像乐高积木。你可以用一个新的连接件组队。现在你可以建造很多以前做不到的东西。”

 

Yang 与 Sibley 机械与航空航天工程学院助理教授 Jingjie Yeo 和材料科学与工程副教授 Shefford Baker 合作开展了该项目。

 

该小组的论文“用于控制聚合动力学和材料特性的引发化学气相沉积中的工程溶剂化”于 2 月 9 日发表在《自然合成》杂志上。第一作者为博士生陈鹏宇。Yang 和 Yeo 是共同资深作者。

 

化学气相沉积 (CVD) 是半导体制造和计算机微芯片生产中用于制造无缺陷无机纳米层材料的常用工艺。由于该过程需要将材料加热到数千度，因此有机聚合物效果不佳。诸如引发 CVD (iCVD) 之类的 CVD 聚合技术是为聚合物合成而开发的低温对应技术。然而，它也有局限性，杨说，因为“多年来，人们已经发展到可以用这种方法制造的化学物质的边界。”

 

Yang 的实验室研究气相沉积聚合物如何与细菌病原体相互作用，以及细菌如何反过来在聚合物涂层上定殖，从船体使用的油漆到生物医学设备的涂层。她和 Chen 试图通过借鉴传统溶液合成的概念来开发一种不同的方法来使 CVD 聚合物多样化：使用“神奇”溶剂，即惰性蒸气分子，它不会并入最终材料中，而是以在室温下 产生新材料特性的方式与前体相互作用。

 

“这是一种古老的化学物质，但具有新的特点，”杨说。

 

在这种情况下，溶剂通过氢键与常见的 CVD 单体相互作用。“这是一种新颖的机制，尽管这个概念简单而优雅，”陈说。“基于这个有趣的策略，我们正在开发一种强大且可推广的溶剂化工程科学。”

 

Yang 和 Chen 然后求助于 Yeo，他的实验室模拟了溶剂和单体相互作用背后的 分子动力学，以及如何调整它们的化学计量或化学平衡。

 

“我们在分子尺度上区分了不同溶剂的影响，我们清楚地观察到哪些溶剂分子更倾向于与单体结合，”Yeo 说。“因此，我们最终可以筛选出哪些乐高积木最适合彼此。”

 

研究人员将生成的薄膜带到 Baker 的实验室，该实验室使用纳米压痕测试对其进行研究，发现溶剂化机制强化了材料。溶剂还导致聚合物涂层生长得更快并改变其形态。

 

这种方法现在可以应用于各种甲基丙烯酸酯和乙烯基单体——基本上任何带有聚合物涂层的东西，例如微电子中的介电材料、船体中的防污涂层以及废水处理中能够净化的分离膜。该技术还可以让研究人员控制药物产品的渗透性以控制药物释放。

 

“这为材料设计增加了一个新的维度。你可以想象各种可以与单体形成氢键并以不同方式操纵反应动力学的溶剂。或者你可以将溶剂分子永久地结合到你的材料中，如果你设计分子正确互动，”杨说。“随着自由度的增加，未来还有很多值得探索的地方。”

 

共同作者包括 Baker、Zheyuan Zhang 和 Zach Rouse。

编辑：澜澜

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