分子材料精准可控组装与图案化是功能分子器件制备和应用的基础。目前，分子多级次组装体系的精确控制与性能调控仍面临巨大挑战。表界面科学研究为分子精准组装与规模图案化提供了新的机遇。将分子自组装与表界面纳米技术相结合，有望为分子精准可控组装与图案化提供新的途径。

在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林、乔雅丽团队突破气泡演化过程中的奥斯瓦尔德熟化等局限，提出了一种气泡模板印刷分子尺度图案与器件的新思路，利用气泡壁限域效应驱动分子受限组装的策略，在分子材料可控组装与图案化方面取得了系列研究进展（Sci. Adv.2023, 9, eadf3567; J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 2404-2413; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16547; InfoMat. 2022, 4, e12323）。气泡膜极限厚度可达双分子层的牛顿黑膜（Newton Black Film），为功能分子精准图案化提供了一种独特的解决思路，有望突破目前分子器件制备的局限。

近期，该团队从气泡阵列中气液界面限域效应出发，通过构建具有不同受限维度和动力学特性的限域体系，系统探究了不同限域体系对于手性分子的组装行为与聚集结构的调控规律。他们利用两亲手性分子Azo-Glu模型体系研究发现，在四种限域条件中，只有气泡模板限域形成了分形多级次组装体，并表现出独特的手性、有序性和取向特性。结合二次谐波技术和分子动力学模拟，发现上述手性增强归因于发泡过程中气液界面的快速形成，其界面形成的时间决定了组装机制。进一步，通过分析分形组装图案的平均分形维数，阐明了气泡限域下多级次组装过程中的扩散限制聚集（DLA）机制。气泡限域的手性增强作用也可应用于对映体的混合组装。他们还利用磁导原子力显微镜探索了图案化手性组装体的光致可调的手性诱导自旋选择性（CISS）效应。该工作揭示了气泡阵列模板的限域组装规律，展示了气泡限域增强组装体手性的潜力，为分子多级次组装与图案化提供了新的思路。

相关研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society期刊上（J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c05141），论文第一作者为博士研究生高杰、欧阳光辉副研究员与中国科学院过程工程研究所周鹏副研究员为共同第一作者，通讯作者为宋延林研究员、乔雅丽研究员、刘鸣华研究员和张贞研究员。

图1. 气泡限域驱动手性分形组装过程示意图，以及时空特性调控的四种限域场景，从自由液滴、平板限域、硅柱模板限域到气泡模板限域

图2. 气泡限域场景下的分子多级次组装调控与机制研究

绿色印刷院重点实验室

2024年7月8日