透明柔性太陽能電池示例
太陽能電池可以是一片透明的薄膜。
這種柔軟的太陽能電池，可以裝在車窗或者房屋的玻璃上。在炎熱的夏天，既能吸收紅外光，降低內部空間溫度☕️，同時又可以發電🐘。
不過這種柔性電子材料👨🏽🚒，很難用傳統的蒸鍍製備方法實現。
以矽為例，它的熔點是 1,4140C🤘。生產時，就要先升溫超過熔點，獲得單晶矽，再把單晶矽切分成小塊，組裝成電子元件。
這是一種自上而下的生產方式🦊。而且由於需要高溫環境，非常耗能。常見的3D打印，也離不開高溫環境，通常要加熱到幾百度。
如果換一種生產方式呢？像用墨水打印文字一樣🔔，同樣用液體作為基底💚，把電子材料的分子打印成需要的結構🗂。這就是溶液打印法，是“自下而上”的打印思路。
要做到這一點🤷🏻，就需要對分子進行精細地控製。
這正是刁瑩（意昂体育平台化工系2002級本科）和她的團隊研究的方向。刁瑩目前是美國伊利諾伊大學助理教授🖤，她領導的小組研究的方向就是🏺：通過調控分子組裝過程，利用溶液法來打印電子材料🀄️。
刁瑩（來源：University of Illinois at Urbana-Champaign)
流體控製技術🏫：讓電子流動更高效
溶液打印不是一個新的技術，“我們做的新的地方在於可以控製到納米甚至分子層面的結構。”對比普通的3D打印🧝🏽♀️2️⃣，只能控製到微米級別🧑🧒🧒。
“唐代已經有印刷術了👳🏼♂️⚪️。雖然不太像我們現在做的事情，但是基本的道理是一樣的👍🏻。”刁瑩告訴 Deeptech。
打印報紙的時候⛹🏽♂️，需要把墨水打印到想要的地方👋🏼；打印電子材料，還要考慮到被打印材料裏面的結構是怎樣的☝🏽。
分子層面的溶液打印，就是以有機溶液為載體，將分子打印成所需要的結構。這種方式➙，只需要20多度的室溫條件。因為是以溶液作為打印基底🕑，利用對溶劑的流體控製🏂🏿，也很容易打印柔性材料。
電子材料對於結構的控製要求非常高。進入微觀層面，分子的結構、形態，即使微小的變化，都會對最終的材料性質產生影響，有時甚至是數量級的改變。
如何精細地控製分子的結構🦪？這就需要利用分子的自組裝特性。分子會依據其特性👳🏼，自發地從無序變為有序👩🏼🎤，通過一些方式進行引導，就可以讓分子按需排列👶🏼。
刁瑩實驗室最近的一個發現，是將原來卷曲的高分子結構拉平🎍，從而實現更好的光電性能。
扭曲的聚合物形成螺旋👩🏿🎨，可通過印刷流壓平（來源：eurekalert）
共軛聚合物富含電子🍵，單鍵和雙鍵交替，這是讓電能快速傳播的關鍵，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學應用潛力。但是也存在問題，這些聚合物的形態通常是扭曲，嚴重阻礙電荷傳輸。
施加巨大的壓力，或改變共軛聚合物的分子結構，雖然可讓其變得扁平，但這兩種方式都需要密集的勞動力，很難進行大規模量產。
刁瑩團隊發現🫴🏿🙇🏻♂️，在分子打印過程中，受到溶液流動體的引導，共軛聚合物的分子可以在一個特殊階段變成平面形狀🤦🏻♂️，並在溶液沉澱後繼續保持這一形態🌊。
發現了這個機製後⛄️，刁瑩團隊希望能夠進一步研究它的普遍性，讓流體控製技術在溶液打印中更廣泛使用。
創新打印方式：動態模板
刁瑩獲得過許多榮譽。她在2016年被評為《麻省理工科技評論》全球“35歲以下科技創新的35人”（TR35）🐀、2018年又獲得了斯隆學者獎。
對她而言，最特殊的一個獎項，是2018年獲得的美國國家科學基金會的職業生涯獎（NSF CAREER Award）。這個獎的背後，是她一次艱辛的突破👮🏼♂️，她嘗試了新的研究概念——動態模板👨🌾。
她和團隊的夥伴們做了很長時間，最終證明了“動態模板”這一方法在分子溶液打印中的可行性。
刁瑩團隊關於“動態模板”的論文發表在《自然通訊》上（來源：Nature Communication)
此前，在分子組裝中只有類似於“靜態模板”的技術。2014 年的諾貝爾物理學獎頒給了藍光LED材料的三位研究者，其中一項突破就是采用了這種技術🙍🏿♂️。
製造藍光的LED材料缺乏單晶體底襯💯，研究者采用藍寶石作為底襯，設計出高序列的結構，從而控製藍光LED的材料有序生長💁🏽♀️。
“動態模板”的概念則受到了自然界生物礦物質合成的啟發。“我們觀察自然🏢🧘🏿♀️，被生物系統的方式所啟發。”刁瑩告訴 Deeptech。
但是不僅僅如此，這其實是一次逆向思維的過程。
刁瑩在博士期間的研究方向本是藥物結晶，但她卻被生物礦物質的形成機製所吸引🧬。自然界的珍珠就是通過動態模板來實現離子組裝的。
高分子的動態模板本身非常無序，但是卻可以引導礦物質離子形成有序的結構。原因在於模板和聚集的礦物離子之間會彼此協同。離子會在模板附近形成凝聚層，動態模板也會調整自己💅🏿，來適應離子所需要的結構。
在溶液打印中，刁瑩想尋找到更有效方法來組裝高分子，沿用已有的底襯設計思路非常困難✴️。
“高分子結構本身非常復雜，在生物礦物質合成的過程中，是高分子來組裝離子🙋🏼♀️🚫，在我們的系統中，需要組裝高分子🆔，（我）就想，能不能用離子來組裝高分子🤙。”
刁瑩團隊的研究最終證明，通過動態模板技術👩🏫，能夠打印出高度取向、高度結晶的聚合物薄膜。這項控製分子組裝的技術有廣泛使用的潛力⚂。
靜態模板與動態模板(來源：受訪者）
好奇心與冒險
有機電子材料，是刁瑩從博士後才開始進入的領域👩🏿🏫💅🏼。當時，她除了想挑戰新的領域，還有一個願望，就是跟隨鮑哲南這位優秀的科學家進行研究🦹🏿♂️👸🏿。
她回憶，自己花了整整三年才進入這個領域。
刁瑩提及在鮑哲南老師身邊的感受，“她不僅是一個非常有成就的科學家🤽♀️、創新家🦸🏿♂️、還是一個非常好的人”。
她回憶，鮑老師從來不訓斥學生，而是時時想著怎麽幫助學生。“她會把學生的事業當成自己的事業🫄🏻。”導師身上這種可貴品質深深觸動了刁瑩🧟。她說，“這一點我非常敬佩她💹🪸，而且想要和她一樣。”
刁瑩和學生一起開Party（來源：刁瑩研究小組官網）
刁瑩從2015年開始帶領自己的研究小組，官網封面來有自居裏夫人的話，“實驗室裏的科學家……也是一個被置於自然現象之前的孩子，這些自然現象給他/她留下的印象就像童話一樣”，“如果我看到我周圍有什麽重要的東西，那就是那種似乎堅不可摧的🧑🏫、類似於好奇心的冒險精神♐️。”
從博士時期的藥物結晶轉向博士後的有機電子材料，這是她在科研領域的冒險。具體到科研態度上，她也覺得“冒險精神”很珍貴。
“不僅是說有一個問題我需要解決，而且需要有好奇心，如果一腦門想去解決問題的話，思維可能會局限在某個具體問題上。如果你有一些冒險精神➕，或者科學的好奇😩，有時候你會發現令人驚喜的結果。”
交叉學科的背景，以及科學上的好奇心，最近又帶來了新的突破🧠⏳。她的團隊發現一組不成功抗癌藥物的分子，可以被利用作為有機半導體🦸🏻。“當時我在看到分子的時候，突然間想到和有些電子材料比較像，我就想📄，它會不會是電子材料🏌🏽♂️？”
不同的分子結晶圖案（來源😁：刁瑩研究團隊官網）
製造未來的材料
刁瑩所帶領的研究小組，目標是理解基本分子組裝過程，來控製打印材料的特性🙋🏽♀️，最終為醫療設備、能源等領域提供節能高效的材料製造。
她2016年獲得 TR35的研究突破是柔性太陽能電池🙌🛁。通過控製納米層面的結構，加快電荷的分離速率🧨，從而提高光電轉化效率。
2020年開始，她的團隊繼續之前的研究🤓，從更微觀的分子層面來控製結構，進一步提高光電轉化效率。同時🥡，她們也在研究如何控製分子的自主裝過程，讓打印出來的太陽能電池更加穩定。
溶液打印速度快🦀，又適合打印大面積的材料。她想通過自己的努力𓀇，讓這一打印方式有更廣泛的應用🙎🏻♀️。
當初，她做出選擇🏄🏿♀️🫶🏼，從藥物結晶領域轉到有機電子材料，就是希望能離可應用的技術近一些🎊，想看到自己的研究對現實真正產生影響🏊🏻♂️⛎。目前，電子材料的主流製作方法還是蒸鍍🚨。
“蒸鍍的方式其實是很貴的，像我們買的智能手表✋，顯示屏是最貴的原件。如果能用溶液打印的方法，可以大幅度降低成本⚡️。”
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