中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林

dahuangfeng

宋延林 1989 年和1992 年于郑州大学化学系获得学士、硕士学位；1996 年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位，1996-1998 于清华大学化学系从事博士后研究；1998年进入中国科学院化学研究所，任副研究员、研究员。现任中国科学院绿色印刷重点实验室主任，研究员、博士生导师；北京航空航天大学、北京印刷学院兼职教授。主要从事信息功能材料、光子晶体与应用和绿色打印印刷材料与技术研究。
ylsong@iccas.ac.cn        62529284
社会兼职：
◇ 中国材料研究学会理事
◇ 中国真空学会理事
◇ 中国计算机协会常务理事
◇ 中国印刷协会常务理事
◇ 中国颗粒学会副理事长
◇ Scientific Reports，《中国印刷》、《中国印刷年鉴》等杂志编委
荣誉奖励：
★ 2004年获北京市自然科学一等奖
★ 2005年获国家自然科学二等奖
★ 2006年获"中国科学院研究生院优秀教师"荣誉称号
★ 2006年获澳大利亚 BHP Billiton 导师科研奖
★ 2006年获国家杰出青年科学基金资助
★ 2006年获中科院优秀研究生指导教师奖
★ 2008年获国家自然科学二等奖
★ 2010年获第十一届中国青年科技奖
★ 2010年获第十届"中国科学院杰出青年"荣誉称号
★ 2010年获首届"中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖"
★ 2011年获第十四届中国科协求是杰出青年成果转化奖
★ 2012年获中国产学研合作创新成果奖
★ 2013年获中国印刷技术协会毕昇奖
★ 2015年获中华印制大奖
研究领域
研究基础
★ 超高密度信息存储
       信息时代电子器件的持续微型化要求不断开发具有更高存储密度、更快响应速度的材料和器件。有机材料因其独特的光电特性和结构可控等优点，在超高密度信息存储领域受到广泛关注。从材料的结构功能设计出发，制备了一系列有机功能薄膜作为信息存储介质，实现了自组装有机晶体薄膜上纳米尺度信息点的写入－擦除和再写入，为可擦写的超高密度信息存储材料的设计提供了新的思路和途径。
       合成了具有强电子给体和电子受体、物理化学性质稳定的有机分子，并在其规整薄膜上实现1.1 nm信息点的写入(Adv. Mater. 2003, 15, 1525-1529)；通过分子间氢键和π-π相互作用自组装制备了晶态薄膜，实现平均点径2.2 nm的信息点的写入，信息点间距可达1.0 nm (Adv. Mater. 2004, 16, 2018-2021)；通过对材料结构的设计和改造，在热稳定的新型螺噁嗪薄膜上实现可擦写的多层高密度光学信息存储(Adv. Mater. 2005, 17, 156-160) 和基于二噻吩基烯光开关的高信噪比光学信息存储(Chem. Mater. 2006, 18, 235-237)；利用刚性结构和强推拉电子基团的分子，实现真空沉积自组装单晶薄膜的制备和超高密度信息存储(Adv. Mater. 2005, 17, 2170-2173)。通过对材料结构与光电性能关系的深入研究，利用同一材料实现了光电双重高密度信息存储(ChemPhysChem 2005, 6, 478-482)。基于三维光子晶体对荧光的增强效应，在光子晶体薄膜上实现了更高信噪比的光学信息存储(Adv. Mater. 2010, 22, 90-94)。
       最近，利用一类包含三聚茚及三苯胺的新型电荷转移分子薄膜作为信息存储介质，实现对信息点显现和隐藏的可逆操纵。(J. Mater. Chem., 2012, 22, 4299-4305, cover paper)。进一步利用光电协同作用实现了多位高密度信息存储(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20053–20059)。
★ 聚合物光子晶体
       光子晶体材料因其对光子传播的调控性能而被称为"光半导体"，其研究和应用受到广泛关注。我们针对光子晶体的制备和应用开展了系统研究(Acc. Chem. Res.2011,44, 405-415; J. Mater. Chem.2011, 21, 14113-14126)。通过结构设计，制备了具有硬核－软壳结构的乳胶粒子，进而组装了具有特殊紧密堆积结构的高强度光子晶体(Macromol. Chem. Phys. 2006,6, 596-604)，实现高质量光子晶体薄膜的制备及浸润性控制(Chem. Mater. 2006, 18, 4984-4986; Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 219-225) 。研究了三维光子晶体的慢光子效应及其对荧光的增强效应(J. Mater. Chem. 2007, 17, 1237-1241)。同时利用这种具有特殊乳胶粒子结构的光子晶体实现了在高灵敏度检测(Angew. Chem. Int. Ed.2008, 47, 7258-7262；J. Mater. Chem.2012, 22, 21405-21411)、光信息存储(Adv. Mater.2010,22, 1237-1241)等方面的应用。通过对乳胶粒子形貌的控制，实现了对界面浸润性及粘附性的调控(Adv. Funct. Mater.2011, 21, 4436-4441)，并基于界面性质的控制制备了高质量超窄带隙的光子晶体(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17053-17058；NPG Asia Mater.2012,4,e21)。
       进一步将光子晶体应用于高效太阳能电池聚光器、光催化等领域(J. Mater. Chem. 2008, 18, 2650-2652; Energ. Environ. Sci. 2010, 3, 1503-1506)；以聚合物乳胶粒子为墨水，将光子晶体应用于喷墨打印技术(J. Mater. Chem., 2009, 19, 5499–5502)，提出用结构色替代染料色素，为更为环保绿色的印刷技术提供新的材料与解决思路(Acc. Chem. Res. 2011, 44, 405-415; J. Mater. Chem. 2011, 21, 14113-14126)。进一步发展了打印制备光子晶体检测芯片及其应用(J. Mater. Chem. C. 2013, DOI: 10.1039/C3TC30728J; Lab Chip 2012, 12, 3089-3095; J. Mater. Chem.2012, 22, 21405-21411)。并利用基材浸润性的差异，设计制备了多带隙的光子晶体阵列芯片，实现了光子晶体芯片对多底物的高效检测与识别(Angew. Chem. In. Ed. 2013, 52, 7296-7299)。
★ 纳米绿色打印印刷材料
       印刷业在我国国民经济中占有重要地位，但印刷产业链中版基制造（电解废液和固体废弃物排放）、制版过程（感光冲洗废液排放）以及油墨污染（有机溶剂VOC排放）的环境污染问题使印刷业成为高污染行业之一，严重制约了产业的可持续发展。
       基于多年来在纳米材料和打印印刷技术的研究基础(Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5184-209; Adv. Mater. 2013, 25, 2291-2295)，发展了一种非感光、无污染、低成本的纳米绿色制版技术，可彻底解决印刷制版过程中的环境污染。课题组已成功突破纳米绿色印刷用关键材料制备技术、高速高精度绿色制版设备及其配套软件关键技术；授权和申请相关发明专利50余项，其中PCT专利13项，形成了从新材料、新装备到配套软件的系统自主知识产权。该技术获得联想控股等著名企业的投资，成立了北京中科纳新印刷技术有限公司。目前已成功推出高精度制版设备，并获印刷行业十佳创新设备奖、全国印刷行业百佳科技创新成果奖；入选上海世博会和"十一五"国家重大科技成就展，在多家印刷企业实现示范应用。课题组还进一步发展了环保型版基制备技术，有望解决传统版基电解氧化工艺造成的巨大污染和能耗；与企业合作，开发了环保型塑料凹印油墨，已实现产业化。
       绿色印刷技术还可延伸应用于印刷电子、印染、建材等行业，为解决上述行业的重污染和高能耗问题提供技术方案。努力形成从绿色制版、绿色版基到绿色油墨为代表的完整绿色印刷产业链技术，并发展绿色印刷电子、印刷光子材料和技术等系列纳米绿色印刷制造技术体系，完成从关键材料到装备的系统创新和技术集成，为推动我国绿色印刷制造产业的绿色化、数字化进程做出贡献。

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随着信息技术的发展，传统集成电路的集成度和生产工艺都面临巨大挑战。近年来，三维微纳米结构的组装研究备受关注。其中，三维结构对立体电路及光电器件的制备至关重要。然而，传统的组装方法很难实现自支撑的三维悬空结构，且所适用的材料十分有限。因此，研究简便普适的三维微纳结构制备新方法对新型光电器件的发展具有重要意义。中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组基于纳米印刷技术的研究，发展了三维自成型印刷制造复杂微纳结构的新方法，实现了微纳结构多材料界面精细调控及功能器件的印刷制备。

构筑功能材料的三维精细结构是先进微纳器件制造的基础。印刷技术是实现材料图案化的有效方式，但传统的印刷技术制造精度通常在数十微米，且难以实现复杂三维微纳结构的制备，极大地限制了其在立体电路、光电显示等微纳器件制造领域的应用。宋延林研究员课题组近年来致力于推动印刷技术的绿色化、功能化、器件化和立体化发展，并利用印刷技术实现功能纳米材料三维成型、多材料界面精细调控及光电器件制备。他们利用一系列具有特殊结构和排列的微模板，与承印基材及水相或油相水相或油相的功能纳米材料 “墨水”组成三维夹层结构。随着溶剂的挥发，不同功能纳米材料可以沿着液滴立体成型的方向共组装为可控的精细三维微纳结构。其中，银纳米颗粒组装的三维立体交叉电路显示了良好的导电性能；两种量子点共组装的三维微纳结构在间距小于3μm时仍显示差异明显的不同色光，可望发展出性能优异的光电器件。


这种三维自成型印刷制造的方法大大突破了传统印刷技术的精度、材料种类及维度的限制，将对新型纳米结构器件制造技术产生变革性影响。相关研究成果在近期出版的Advanced Materials作为封面论文发表 (DOI: 10.1002/adma.201703963)。

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《纳米材料与绿色印刷》

作者：宋延林　等

责任编辑：张淑晓，孙曼

北京：科学出版社，2018.3

ISBN：978-7-03-056577-8

印刷术在人类文明发展历史中发挥了重要作用。将纳米科技的创新研究成果与古老的印刷技术相结合，为印刷产业的绿色发展打开了一扇新的大门，将继续书写印刷术的传奇。《纳米材料与绿色印刷》主要介绍了纳米绿色印刷技术的发展及其应用，全书为全彩无光铜版纸印刷，以专业的视角和通俗易懂的语言，全面系统地阐述了“绿色制版、绿色版材、绿色油墨”的完整纳米绿色印刷原理与材料体系，归纳总结了印刷电子、印刷光子和3D打印印刷的最新进展。

纳米绿色版材与绿色制版
印刷版材作为衔接印前和印刷的关键要素，是印刷制版工艺中的关键材料之一。目前国内外的制版技术主要是激光照排和计算机直接制版（Computer To Plate，CTP）。其中激光照排制版使用PS（Presensitized Plate）版，而计算机直接制版使用的版材有不同类型，它们都属于通过感光成像的印刷版材。无论是PS 版或CTP 版通常都是以铝板为基材，为了获得足够的耐印力与分辨率，都需要对铝版材进行电解粗化，后处理过程都需要经过曝光、显影的化学处理。版材的生产工艺包括清洗、除油、电解粗化、阳极氧化、封孔、涂布和烘干等诸多工序，会排放大量的废液和废渣，造成较大的能源消耗和环境污染。


传统的PS 版及CTP 版制版技术采用的是“减法原理”，即先在整个基材上涂覆一层感光材料，再通过制版机曝光后清洗掉多余的部分。这种工艺会造成材料的浪费，同时产生大量的废液。


出于对节约资源、减少排放的考虑，中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室开发的纳米材料绿色制版技术反其道而行之，以“加法原理”实现高效快速、清洁环保的制版过程。简单来说，这种纳米材料绿色制版技术是以喷墨打印技术为基础，在亲水的空白基材上打印亲油墨的图文区域，即将特制的纳米复合转印材料通过直接制版设备精确打印在具有微纳米结构的超亲水版基上，利用纳米材料对界面性质的调控，在版材表面形成具有相反浸润性的微区(亲油的图文区和亲水的非图文区)，从而实现直接制版印刷。


纳米绿色版材是将新型功能纳米材料通过特定工艺均匀涂布在未经电化学处理的基板表面，使金属版材在具有合适的粗糙度的同时，又具有良好的吸墨性和耐磨性，实现传统版材所具备的高耐印力和保水性等印刷要求，是真正意义上的绿色版材。


纳米绿色版材的生产工艺简单，将纳米涂布液涂布在铝版材表面，烘干后就得到纳米绿色版材。传统的电化学处理铝版材和纳米绿色版材的生产工艺。电化学处理铝版材需要经过除油、电解、阳极氧化、封孔和涂布五个关键工序，为了形成多重砂目，通常需要两次电解，能耗和废酸、废碱的排放量巨大。纳米绿色版材的生产工艺只需要涂布一道关键工序，成本优势和环保优势明显。纳米绿色版材完全摒弃了传统版材生产电化学腐蚀的原理，省去了电解氧化等诸多烦琐工序，工艺简捷、成本低廉且绿色环保。纳米绿色版材与纳米材料绿色制版技术的集成推广和应用，将彻底解决传统版材生产和印刷制版过程中由电解氧化和感光冲洗引起的环境污染和资源浪费问题，大幅提升我国印刷行业的技术水平和绿色化发展。


纳米材料绿色制版技术要发展成为一项可行的应用技术，还必须考虑印版的实际应用要求，如分辨率、耐印力等。为满足印版高分辨率的要求，通过对印版表面进行纳米结构处理，实现了版材的超亲水性，并通过有效调控转印材料在超亲水版材表面的扩展和浸润行为，实现了图文区域浸润性从超亲水到超亲油的转变，从而保证印版图文区与非图文区形成清晰的界面，使印版具有很高的分辨率 。

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光子陷阱：格栅化钙钛矿高效太阳能电池

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池以其出色的光电转换效率引起了科学家的广泛关注。近年来，其光电转化性能取得了突飞猛进的发展，目前经过认证的最高光电转换效率已突破22.7%，但仍远未到达其理论效率31%。钙钛矿太阳能电池在追求高转换效率的同时，如何不断提高电池稳定性、拓宽吸收光谱范围和增强光捕获性能成为当前的研究热点。

中科院化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员课题组的研究人员针对这些问题，利用光在传播过程中遇到障碍物时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的光衍射现象，构筑不同周期的光栅结构，可以使入射光在光栅结构中发生衍射并且富集。研究人员使用商业化的光盘（CD和DVD光盘）作为模板，通过梯度退火控制钙钛矿成核及限域生长控制钙钛矿生长的方法，直接在钙钛矿活性层表面压印构筑大面积不同周期的光栅结构。同时，显著提高了钙钛矿结晶性能，降低了钙钛矿薄膜的表面缺陷。研究发现，光增益结构（光栅结构）和限域生长（高结晶性能和低表面缺陷）对提高钙钛矿的光生电流、开路电压和电池器件的稳定性有直接的影响。最终，钙钛矿太阳能电池的光生电流从21.67 mAcm-2提高至23.11 mAcm-2，光电转换效率从16.71%提高至19.71%。实现高效的光捕获从而大幅提高器件的光电转换效率。

相关论文近期发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201702960）上作为Inside Cover报道。文章第一作者为汪洋博士后。通讯作者为宋延林研究员与李明珠研究员。

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高效多底物检测与多元分析方法研究进展

叶常青a, 陈硕然a, 李风煜b, 葛婕a, 勇沛怡a, 秦萌b, 宋延林b

a 苏州科技大学绿色印刷纳米光子工程技术研究中心 江苏省环境功能材料重点实验室 苏州 215009;

b 中国科学院化学研究所 中国科学院绿色印刷重点实验室 北京 100190

Research Progress of High-performance Multi-analyte Recognitions and Multivariate Analysis
Ye Changqinga, Chen Shuorana, Li Fengyub, Ge Jiea, Yong Peiyia, Qin Mengb, Song Yanlinb
a Research Center for Green Printing Nanophotonic Materials, Suzhou University of Science and Technology, Jiangsu Key Laboratory for Environmental Functional Materials, Suzhou 215009;
b Key Laboratory of Green Printing, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190


摘要 传统基于锁钥模型的“一对一”响应的化学检测方式，随着时代发展已经越来越不能满足人们对复杂体系的检测需求.正交检测阵列通过对不同被检测物的差异化信息进行分析，可以获得尽可能多的响应信息，从而实现对多底物的识别检测.多底物检测的关键是要获得尽量多的差异化传感信息.由于存在对探针需求种类量多、合成制备过程复杂、探针有效性筛选效率低等缺点，传统“多对多”方式的多元分析方法，在实际应用过程中显现出巨大的局限性.受人类感官系统的启发，发展“单对多”的高效多底物检测分析手段，将会是未来能真正走向应用的重要发展方向.从化学信息挖掘、物理信号放大与集成器件设计三个方面，针对如何提高多底物复杂分析的能力，总结简述了近期高效多底物检测与多元分析方法的研究进展.

基金资助:项目受江苏省自然科学基金-优秀青年基金（No.BK20170065），江苏省自然科学基金（No.BK20160358）；江苏省高校自然科学研究重大项目（No.17KJA430016）；江苏省“六大人才高峰”（No.XCL-79）；江苏高校“青蓝工程”；国家自然科学基金（Nos.51603141，51473172，51473173）和中科院战略性先导科技专项（No.XDA09020000）资助.
通讯作者: 李风煜, 宋延林     E-mail: ylsong@iccas.ac.cn;forrest@iccas.ac.cn
作者简介: 叶常青,主要从事上转换材料及光子晶体材料应用研究;李风煜,主要从事高效复杂系统分析、聚合物光子晶体与纳米料打印功能器件研究;宋延林,中国科学院化学研究所研究员、博士生导师,中国科学院绿色印刷重点实验室主任.主要从事信息功能材料、纳米功能材料与绿色印刷技术研究.

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2018国家重点研发计划“纳米科技”重点专项（第一批）

项目编号        项目名称        项目牵头承担单位        项目负责人        中央财政经费 （万元）        项目实施周期 （年）

2018YFA0208500        绿色印刷制造技术与纳米结构器件系统集成应用        中国科学院化学研究 所        宋延林        1762        5

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中科院化学所宋延林研究员团队：绿色印刷翻开盲文新篇章

5月17日，2018年助残日来临之际，中科院化学所绿色印刷实验室科研人员走进北京市盲人学校，向学校捐赠了基于绿色印刷技术印制的盲人图书。一名二年级盲童打开一本崭新的《没头脑和不高兴》，大胆地抠了抠凸点感知点位。“老师告诉我们，不用再担心‘看’过的书凸点被磨掉了。”他告诉《中国科学报》记者。

“绿色印刷技术翻开了盲文新篇章。”北京市盲人学校副校长陈瑜在捐赠现场表示，“新盲文图书经久耐用、绿色环保、图文并茂，提高了教学有效性和学习质量，为孩子们带来了一场‘视觉’盛宴。”

始于世界上最小的点


传统方式印制的盲文图书采用机械压印，经过多次摸读后，很多凸起的盲文点就被磨平了。同时，盲文图书的出版周期长、成本高、出版量低、体积大、点字精度不够，都直接制约着学生们学习。长期从事盲文编辑与印刻的北京市盲人学校教师李潇潇对此深有感触。“盲文材料很重，厚的牛皮纸材料也容易划伤手，使用寿命和保存时间都比较短。”她告诉《中国科学报》记者。


一直从事绿色印刷技术研发的中科院化学所绿色印刷实验室主任宋延林注意到这一点。2014年以来，围绕喷墨打印领域的“咖啡环效应”，科研人员成功调控了墨水和基底的纳米尺度界面性质，使墨滴不再扩散。在此基础上，他们打印出目前最小的、只含一个纳米粒子的墨点，再由这样的墨点连成最细的线，形成平整的面，攻克了纳米颗粒通过印刷方式形成高精度图案的难题。


宋延林意识到，也许绿色印刷技术能够实现耐用、抑菌、低成本的盲文印制。于是，他带领实验室研究人员在中国科学院先导项目的支持下，将绿色印刷技术与3D打印原理相结合，积极探索盲文印刷。


今年1月30日，宋延林研究团队与中国残联文宣部主任郭利群、中国盲人协会副主席李庆忠、中国盲文出版社副总编辑沃淑萍等进行了交流。至此，绿色印刷技术从实现世界上最小的点开始，一步步走到了盲人身边。

全链条技术填补空白


“光有一项技术还不够，盲文印制当前存在的问题是全链条的问题。”在绿色印刷技术转化领域，宋延林已经积累了一些经验。他深知，要让盲人真的用上新的盲文书，必须打造全链条的系统技术。


在材料上，研究人员技术使用的油墨采用环境友好的纳米抑菌型3D材料。“这种材料在纸张表面渗透成膜，通过毛细力与纸张纤维素深入复合，固化时在纸张纤维间隙形成互穿网络结构，牢牢与纸张表面结合，使得形成的盲文凸点极耐摩擦，盲文书籍持久耐用。”宋延林介绍。


在打印机上，研究人员利用图像分割解决了打印速度和精度的矛盾，将大幅面切割成多个小幅面，并用多个喷头进行并行打印。这种方式不仅同时提高了速度和精度，也大幅降低了成本。同时，研究人员还开发了一套分解立体结构的软件，能够通过分层叠加打印实现立体图形的精确打印。已完成的首台D74打印设备可提供每小时约400 页的盲文印制速度


拿到崭新的盲文图书，李潇潇和学生们都爱不释手：“重量和舒适度上都可以达到汉字教材的水平。反复摸读后点位依然清晰，盲图线条更加流畅。”


把盲文“印”进生活


面向未来，宋延林团队将加快办公级和工业级盲文印制装备的研发。当前，绿色印刷技术喷墨打印的方式无需制版，不受印量限制，能够实现个性化定制服务。盲校、图书馆、数码快印中心等办公环境下将对绿色数字化盲文打印产生巨大需求。


按计划，办公级装备将设置桌面式（低速）和立式（中速）两个产品序列，与其他设备共用墨水材料，设备体积将满足较狭小空间使用。而工业级装备研发则将大幅降低纸张成本为目的。科研人员将与中国盲文出版社联合开发高速全自动绿色数字盲文印制生产设备，满足其对于产能提升的需求。


此外，为帮助盲人获得更优质的生活，目前，科研人员计划将绿色印刷印制盲文融入日常生活消费品的通用设计中。“在药品、食品包装上增加盲文印制、无障碍标示等。通过在传统包装、标签市场的应用，与现有技术无缝衔接，从而更好地服务视障群体。”宋延林告诉《中国科学报》记者。


陈瑜期待，将盲文印刷应用在电子产品上，配合音频实现多感官的交融，扩大孩子们的想象空间，改变他们的生活。

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《先进功能材料》高亮度无角度依赖结构色湿度传感器

极具吸引力的作品，往往是艺术和科学的完美结合。比如，将来您办公室墙壁上挂着的一幅漂亮的油画，它可以随环境变化改变其色彩，反过来，这种色彩的变化又能指示您房间当前所处的环境。这幅装饰性的油画既是艺术品，同时又是环境传感器。河北师范大学的周金明教授和中科院化学所的宋延林研究员等合作开发出了一种兼具艺术性和科学性的高亮度无角度依赖结构色湿度传感器。

非彩虹色结构色，源自于一种特殊的长程无序、短程有序的光学结构，具有色彩不随观察角度变化的特点，在颜料、显示、传感等领域具有诱人的应用前景。但目前其结构色色彩亮度普遍偏低的问题，严重限制了其在实际中的广泛应用。研究团队将石墨烯纳米片和石墨烯量子点引入光学结构，利用石墨烯纳米片的均匀吸光性质消除了无序光学结构引起的非相干散射，提高了结构色的色彩饱和度；同时借助石墨烯量子点随激发波长可调节的光致发光性质及其与光学结构引起的赝光子带隙的相互作用，实现了石墨烯量子点发光和赝光子带隙间的自动波长匹配，进而通过石墨烯量子点的发光自动对波长涵盖整个可见区的无角度依赖结构色的亮度进行了有效补偿。引入石墨烯量子点后，结构色薄膜反射光谱的峰成分与仅添加石墨烯纳米片的薄膜相比提高了~2.3倍。

图1 高亮度非彩虹色结构色薄膜的制备及表征。 （A）制备过程示意图； （B）、（C）、（D）依次是无添加物、添加石墨烯纳米片、添加石墨烯纳米片和石墨烯量子点的结构色薄膜的数码照片；（E）、（F）相应的反射光谱和光学结构。

在此基础上，利用无序光学结构作为模板，通过填充聚丙烯酰胺水凝胶，研究团队展示了一种具有湿度响应性的结构色纳米复合薄膜。薄膜的色彩可随环境湿度的变化而发生变化，根据结构色色彩的变化还可以指示环境的湿度变化。由于此结构色与观察角度无关，所以与传统光子晶体传感器相比，本研究报道的湿度传感器具有更简便、准确的特点，因为其避免了观察角度引起的色彩的变化的所引起的困扰。本研究将有效推动无角度依赖结构色材料的在智能颜料、新型可视化传感器等领域的广泛应用。

图2 高亮度非彩虹效应结构色湿度传感器

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201802585

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宋延林AM：一种普适的流体图案化方法及其在微型器件制备中的应用!

文章亮点：

提出了一种利用微模板“印刷”方式实现包括空气、水和多种油在内的不混溶流体对的图案化原理和方法，并用于制备可编程多相流体图案和微型光电器件。

许多基本的物理和化学过程发生在流体界面。例如，在气液界面存在蒸发，吸附和瑞利不稳定性，这在溶液加工器件制造、表面自组装和喷墨印刷中具有重要意义。控制流体界面对于理解和利用这些基本过程至关重要。

然而，以前基于微流体技术的研究主要集中在自由流动的流体界面上，因此由于流体界面的流动性而难以对其控制。实际上，固定和图案化的流体界面在许多领域更为重要，比如分子扩散研究、界面反应、检测和传感等，因为它为观察、识别和标记提供了一个稳定的平台。此外，图形化的气液界面可以作为软模板用于功能材料的组装和印刷。

在固体表面上，将一种流体在另一种不混溶流体中形成图案，是形成图案化流体界面的有效方式，引起了不同研究领域的广泛关注。例如，在水中形成图案化的气泡作为材料组装的模板，在空气中形成图案化的液滴以进行液体操作，并且在水中形成图案化的油滴或通过溶剂交换在固体表面上的油中图案化的水滴等。然而，创建和精确控制不同材料的流体模式仍然是一个巨大的挑战。

有鉴于此，中国科学院化学研究所宋延林教授课题组报告了一种在微通道中创建图案化的流体界面的通用方法。

对于制备流体图案，模板微柱的润湿性和几何形状是两个最关键的因素。该研究提出了它们各自的设计原则。即：理论上，对于流体A和流体B的任何不可混合的流体对，假设θBA是流体A中微柱的表面上的流体B的接触角，如果θBA<90°，则在微柱的作用下流体B可以在流体A中形成图案。

在实验上，这条规则适用于数十种不混溶流体对，它们由二十几种常见流体组成，包括空气、水和油。此外，通过合理设计微柱模板的几何形状，可以很好地控制流体图案的形状、大小和位置。将润湿性和几何形状的设计与连续的流体取代技术相结合，可实现可编程多相流体模式。

总之，这种普适的流体图案化原理和方法为研究流体界面上发生的基本过程提供了一个前途广阔的平台，使得多相流体可以实现可编程的图案化制备及多功能材料组装微型光电子器件。

参考文献：

Huang Z, Yang Q, Su M, et al. AGeneral Approach for Fluid Patterning and Application in FabricatingMicrodevices[J]. Advanced Materials, 2018: 1802172.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802172

lianpihou

化学所宋延林AM：二维转化三维高效钙钛矿太阳能电池

中科院化学所宋延林课题组采用丙基碘化铵（PAI）和PbI2作为溶液的前体沉积二维PAPbI3钙钛矿薄膜。PAPbI3前体具有良好的成膜性，有利于制备大面积均匀的钙钛矿薄膜。然后将二维PAPbI3薄膜浸泡在甲基碘化铵（MAI），转化生成高表面覆盖率和结晶度的三维MAPbI3薄膜。基于MAPbI3薄膜的太阳能电池的效率为19.27％。

LiF, et al. A Novel Strategy for Scalable High-Efficiency Planar Perovskite SolarCells with New Precursors and Cation Displacement Approach[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI:10.1002/adma.201804454

https://doi.org/10.1002/adma.201804454

luxi

宋延林课题组通过将2D C6H18N2O2PbI4（EDBEPbI4）微晶引入前体溶液中，沉积的3D钙钛矿膜的晶界垂直钝化，具有相纯的2D钙钛矿。纯相（无机层数n = 1）2D钙钛矿可以使低维钙钛矿中的限域光生电荷载流子最小化，主导垂直对准不影响电荷载流子提取。因此， 2D-3D混相三元的太阳能电池效率高达21.06％，并表现出超稳定性（在空气中3000小时后保持90％的初始效率）。

注：EDBE 代表2,2-(ethylenedioxy)bis(ethylammonium)

Li, P., Zhang, Y. et al. Phase Pure 2D Perovskite for High-Performance 2D–3D Heterostructured Perovskite Solar Cells.Adv. Mater.

Doi:10.1002/adma.201805323.

https://doi.org/10.1002/adma.201805323

shirejinmo

宋延林，中国科学院化学研究所研究员。宋延林研究员基于纳米材料开发的绿色印刷技术为减少传统印刷工艺造成的污染做出了重要贡献。有鉴于此，Nature杂志对他进行专访，讲述了他在化学所的工作以及绿色打印技术到底有多重要。


绿色印刷技术如何工作？


传统印刷业使用大量化学药品，并产生大量对环境有害的废弃物。我们使用纳米材料制造了一种涂层，以消除对印版进行化学处理的需要。


你们现在获得了哪些成果？


我们已经成功开发一系列绿色印刷应用，从制版和电子印刷技术到包装和3D打印的绿色印刷工艺。我们的工作已被纳入中国印刷业发展路线图，北京印刷学院等大学已经围绕我们的研究制定了相关课程。


你们实验室研究经费从哪里来？


我的经费主要来自科技部、中国科学院、国家自然科学基金和北京市政府。此外，包括宝洁和三星等公司也会给予一定致支持。去年，我的实验室总共获得了300万美元的经费资助。


您的研究面临哪些难点？


绿色印刷技术仍有许多基本问题需要解决，其中绝大部分的挑战都来自于该技术中液体必须在很小的尺度下工作。传统喷墨印刷中使用的喷嘴最小只能产生直径10微米的液滴。这使得我们难以在更小的尺度进行印刷，限制了绿色印刷技术在芯片上打印复杂电子器件或为可穿戴器件打印智能织物的能力。



您的研究成果是否已经得到实际应用？


我们正在与四家公司合作开发不同的应用场景。现在主要面临两个主要难题：1）保证质量的同时实现大规模制造；2）说服人们购买它们。客户更希望得到最具成本效益的产品，而不是最高科技的产品，这对研究人员来说是一个艰巨的任务。到目前为止，我们的绿色印版技术已被中国国家新闻机构所使用，我们的电子印刷工艺也已经在北京和香港的公司用来生产交通运输的票据。




您目前正在研究什么？


我们正在开发可直接在纸上打印的3D墨水，以创建盲文文本。传统的盲文印刷工艺非常昂贵，而且所印刷出来的书籍不能长期保存，因为压纹点经过触摸后会变得扁平而导致无法阅读，这些因素导致中国盲文书籍数量极为有限。我的朋友有失明的孩子，长期以来，我一直在思考这个问题。我们希望我们的工艺能够大大降低印刷成本，提高印刷质量。

shiren

作为新一代薄膜太阳能电池的代表性材料，钙钛矿的毒性及对水氧的敏感性严重阻碍了其商业化进程。近年来，二维（2D）Sn基无铅钙钛矿因其出色的稳定性和低毒性，成为3D钙钛矿的替代材料。但由于二维材料结构的特殊性，电子或空穴受量子尺寸效应限制，其寿命和迁移率远低于3D结构，因而其器件光电转化效率明显低于3D钙钛矿。这种稳定性与高效率之间的矛盾成为实际应用的一个难题。

　　最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中科院化学研究所绿色印刷重点实验室科研人员与郑州大学合作，成功地将疏水性有机分子1,4-丁二胺引入到Sn基无铅钙钛矿中，合成了一系列具有Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿。如下图所示，具有典型准二维结构的(BEA)FA2Sn3I10钙钛矿结构对称性较好，光吸收窗口与三维相比并没有明显减少，并具有合适的禁带宽度。第一性原理计算表明，(BEA)FA2Sn3I10具有大的形成能（106 j/mol），结构稳定。另外，(BEA)FA2Sn3I10薄膜致密性良好，载流子限域作用并不明显，结合一维扩散方程，计算出的电子扩散长度为450 nm，空穴扩散长度为360 nm，载流子迁移率为14.4 cm2 V-1 S-1。利用该(BEA)FA2Sn3I10薄膜制备出的太阳能电池，光电转换效率高达6.34%，是目前报道的Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿太阳能电池的最高值。更为重要的是，在自然条件下，未封装的器件经过1000小时的老化，效率仅仅衰减8%。另外，在光照稳定性测试中发现，经过200小时，器件效率仍有90%以上。通过这种新型低维无铅钙钛矿结构设计，同时实现了高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池，对推动钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。
　　该研究成果近日发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，通讯作者是化学所研究员宋延林和郑州大学博士张懿强，第一作者是博士生李鹏伟。
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202000460

qingxue

浸润性是固体表面的重要性质，决定着固液间的相互作用方式，对生产生活和自然界中的多种行为过程具有重要影响。比如荷叶表面的超疏水性质赋予其自清洁的能力，水黾腿的超疏水性质使其能够在水面自由行走。固体表面浸润性能够以多种方式影响固液间的行为过程，包括接触角、粘附力、导电性、导热性、相变能垒等。相比于具有均匀浸润性的表面，各向异性浸润性表面在不同位置或方向上展示出不同的浸润性，将多种浸润性的优势加以整合，能够实现对液体行为更加复杂和精确的控制，逐渐成为了人们的研究热点。

      中科院化学所宋延林研究团队从原理、制备和应用等方面对各向异性浸润性表面进行了综述。固体表面浸润性决定于表面的化学性质和微观物理结构。因此，可以通过设计非均匀的化学性质和/或物理微结构，实现各向异性浸润性表面的构筑。从化学修饰的角度，构筑方法包括选择性紫外辐射、选择性等离子体处理、选择性分子接枝、以及各种印刷技术等；从物理加工的角度，构筑方法包括增材制造、活性离子束刻蚀、激光烧蚀等。由于各向异性浸润性表面具有精确可控的浸润性分布，因此能够使不同区域产生差异化的固液相互作用。基于此，他们总结了各向异性浸润性表面在光电功能器件制备和生物传感/检测等领域的应用。实现功能材料的精确图案化是光电功能器件制备的基础。通过对表面各向异性浸润性的设计，能够使功能材料在表面发生各向异性去浸润和优先沉积，实现了高精度、大面积制备光电功能器件的制备。对于生物传感和检测领域来说，微量样品的高灵敏分析和多种样品的高通量分析是研究热点和难点。利用各向异性浸润性表面对样品溶液的富集效应和限域效应，能够对上述问题加以解决，促进该领域发展。
       最后，作者对各向异性表面的制备方法和稳定性，以及对复杂液体体系的精确控制等方面进行了展望。相关结果发表在Small Structures（DOI:10.1002/sstr.202000028）上。

joke

钙钛矿材料在制备可穿戴光电器件领域有着重要的应用前景。然而，由于钙钛矿晶体薄膜的易脆性和不可控结晶，大面积制备致密且坚韧的钙钛矿薄膜仍面临着巨大挑战。一方面，受限于经典的DDA（沉积、扩散和聚集）薄膜生长模型，钙钛矿溶液薄膜在结晶过程中通常会形成随机分布的钙钛矿岛状结构和非致密薄膜。另一方面，晶体的天然脆性阻碍了钙钛矿薄膜在柔性光电器件中的应用。

        中国科学院化学研究所宋延林研究员和李立宏副研究员团队与郑州大学印刷光电器件研究所合作，提出了一种大面积制备钙钛矿薄膜及光电器件的新方法。研究发现，通过在喷墨打印过程中引入可溶性 PEO高分子薄膜，可有效地增加钙钛矿在结晶过程中的成核密度并促进钙钛矿晶体沿基底生长，从而实现钙钛矿薄膜的大面积打印制备。得益于可溶性PEO分子对钙钛矿成核和结晶的调控作用，这种方法可以实现钙钛矿薄膜在不同基材上的生长和高精度图案化。此外，该方法可以扩展到不同钙钛矿材料，如 MAPbI3、MA3Sb2I9 和 (BA)2PbBr4。这种方法制备的钙钛矿薄膜显示出较高的晶体质量和优异的机械性能。基于 MAPbBr3 钙钛矿薄膜的光电探测器显示出高达 ~1036 mA/W 的响应度，经15000 次连续弯折循环后保持了~96.8% 的初始光电流。该方法为大规模制备钙钛矿薄膜及柔性光电器件提供了一种简便的方法，对制备钙钛矿可穿戴光电器件具有重要意义。
       文章信息：Zhenkun Gu, Ying Wang, Shiheng Wang, Ting Zhang, Rudai Zhao, Xiaotian Hu, Zhandong Huang, Meng Su, Qun Xu, Lihong Li*, Yiqiang Zhang* & Yanlin Song*. Controllable printing of large-scale compact perovskite films for flexible photodetectors. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3700-9.

haotianqi

5月30日，第三届全国创新争先奖表彰大会在京隆重举行。化学所宋延林研究员荣获全国创新争先奖状。
　　宋延林研究员长期从事材料科学与印刷技术的交叉研究，在纳米材料创制、界面液滴操控和印刷微纳制造方面取得了系统性的创新成果，促进形成了纳米绿色印刷产业链技术。
　　全国创新争先奖由人力资源社会保障部、中国科协、科技部、国务院国资委共同设立，表彰在“创新争先”行动中作出突出贡献的优秀科技工作者和团队。

tanlun

2023年12月20日，第十七届毕昇印刷技术奖颁奖大会在京举行。中宣部副部长张建春、中宣部印刷发行局局长刘晓凯等领导出席颁奖大会，并给8名毕昇印刷杰出成就奖及12名毕昇印刷优秀新人奖获奖者颁奖。

　　化学所宋延林研究员荣获毕昇印刷杰出成就奖并作为获奖代表发言。
　　毕昇印刷技术奖设立于1986年，是中共中央宣传部批准的国家级奖项，是我国印刷行业的最高政府奖，每两年评选一次。
　　宋延林研究员多年来从事绿色印刷新材料和新技术研究，研究成果产生了广泛积极的影响，曾获第十二届毕昇印刷技术奖“毕昇印刷优秀新人奖”，并获2022年“印刷行业最美科技工作者”、中国印刷技术协会成立四十周年“致敬时代榜样”先进工作者和中华印制大奖等荣誉。