摘要：厚的胶体膜在调节光子晶体路径、提高电池储能效率以及调节陶瓷的机械和电性能方面起着关键作用。然而，在基底上沉积前驱体然后蒸发或烧结的传统方法在控制薄膜的质量和厚度方面存在显著的局限性。当厚度达到所谓的临界开裂厚度时，根据格里菲斯的裂纹扩展标准，溶剂进一步蒸发和浓
厚的胶体膜在调节光子晶体路径、提高电池储能效率以及调节陶瓷的机械和电性能方面起着关键作用。然而，在基底上沉积前驱体然后蒸发或烧结的传统方法在控制薄膜的质量和厚度方面存在显著的局限性。当厚度达到所谓的临界开裂厚度时，根据格里菲斯的裂纹扩展标准，溶剂进一步蒸发和浓度增加会导致其中储存的弹性能量超过临界阈值，导致薄膜破裂和失效。
2024年12月2日，香港理工大学王钻开教授、香港城市大学姚希教授、香港科技大学杨征保教授和刘世源助理教授在Nature Communications发表了题为《Stress-eliminated liquid-phase fabrication of colloidal films above the critical crack thickness》的研究论文，刘世源助理教授、洪颖博士、洪旺博士、郑毅博士为论文共同第一作者，王钻开教授、姚希教授、杨征保教授和刘世源助理教授为论文共同通讯作者。
王钻开，香港青年科学院院士，香港工程科学院院士，香港理工大学协理副校长讲座教授，研资局高级研究学者（2022），中国教育部长江讲座教授（2016）。
2000年获得吉林大学学士学位，2003年获得中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位，2008年获得伦斯勒理工学院博士学位。2009年加入香港城市大学（CityU），并于2021 年成为讲座教授。他曾任香港城大工学院副院长（2019-2022）和自然工程研究中心创会副主任（2021-2022）。他担任期刊Droplet（Wiley）的执行主编，以及10多种期刊的副主编和顾问委员会成员。
王钻开长期从事表界面领域研究，通过仿生理念与经典表界面理论融合，在界面流动与能量转化的基础理论、前沿技术拓展取得系统创新性突破。
杨征保，香港科技大学教授，本科毕业于香港城市大学，硕士毕业于哈尔滨工业大学，在多伦多大学获得博士学位，并于2003年加入香港科技大学，被斯坦福大学列为“世界前2%科学家”之一。
他的研究方向是振动和机电一体化，传感器、执行器和能量采集器开发智能材料和动态系统。他在中美申请了20多项专利，并在Nature、Nature Comm.、Science Robotics、Science Advances、Joule、EES、AM 等高影响力期刊上撰写了100多篇学术文章。
姚希，香港城市大学教授，博导，副系主任，英国皇家化学学会会士。本科毕业于武汉大学，博士毕业于中国科学院化学研究所，随后进入哈佛大学从事博士后研究工作，并于2014加入香港城市大学。
姚希教授目前主要从事聚合物粘接和涂层材料、仿生医用材料和柔性器件的研究，通讯作者文章发表在包括PNAS，Nature Communications，Science Advances，Advanced Materials，Angew Chem.，ACS Nano，Phys. Rev. Lett.，Lab Chip等。作为第一发明人，授权美国专利3项中国发明专利9项。
刘世源，香港科技大学助理教授，博士生导师。2018年本科毕业于南方科技大学，2022年博士毕业于香港城市大学，师从杨征保教授。他在美国申请了2项专利，并在Nature Comm.、Science Adv.、Advanced Mat.、Advanced Fun等高影响力期刊上撰写了30多篇学术文章。
他专注于柔性压电材料研发、新型绿色陶瓷制备工艺探索以及柔性智能可穿戴设备、能量收集系统、声学诊疗设备研究。
膜材料的厚度是影响能量密度、光学性能和机械强度等特性的关键因素。然而，固有热力学极限对最大厚度的长期挑战往往会导致有害的裂纹，从而影响这些理想特性的表现。
为解决这一挑战，作者开创了一种应力消除液相制造（SELF）法，通过将溶液限制在特定的框架网格中，利用其固有的表面张力形成悬浮液桥，从而实现膜材料内部应力的消除，突破最大厚度极限。
该技术实现了厚度范围从1到100 μm的无裂纹压电陶瓷厚膜的阵列化制造，制造的PZT薄膜的压电系数（d33）高达229 pC N−1。
此外，这些薄膜的自独特性增强了它们在MEMS加工中的适应性，而“毛细管桥”拓扑结构使得PZT薄膜可以用于超声聚焦发射器，为医学成像提供了可能性。
图1：SELF策略的薄膜制备
图2：液膜形成参数
图3：SELF制备能力
图4：聚焦超声换能应用
综上，该研究提出的应力消除液相制备（SELF）方法，成功克服了传统胶体薄膜制备中存在的裂纹问题，实现了从1到100 μm范围内的厚陶瓷薄膜的无裂纹制备。通过优化溶液浓度和干燥条件，可以调节薄膜的厚度分布，实现均匀的薄膜制备。此外，SELF方法的自由悬挂特性使得薄膜能够轻松转移到不同基底上，为制造电子元件和3D设备提供了新的可能性。未来，SELF方法有望在生物、材料科学和化学等领域得到更广泛的应用。
Liu, S., Hong, Y., Hong, W. et al. Stress-eliminated liquid-phase fabrication of colloidal films above the critical crack thickness. Nat Commun 15, 10136 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54412-w
来源：华算科技