太陽(yáng)能電池可以是一片透明的薄膜。
　　這種柔軟的太陽(yáng)能電池，可以裝在車(chē)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(shí)又可以發(fā)電。不過(guò)這種柔性電子材料，很難用傳統的蒸鍍制備方法實(shí)現。
　　以硅為例，它的熔點(diǎn)是1414℃。生產(chǎn)時(shí)，就要先升溫超過(guò)熔點(diǎn)，獲得單晶硅，再把單晶硅切分成小塊，組裝成電子元件。這是一種自上而下的生產(chǎn)方式，而且由于需要高溫環(huán)境，非常耗能。常見(jiàn)的3D打印，也離不開(kāi)高溫環(huán)境，通常要加熱到幾百度。
　　如果換一種生產(chǎn)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(diǎn)，就需要對分子進(jìn)行精細地控制。
　　目前美國伊利諾伊大學(xué)助理教授刁瑩和她領(lǐng)導的小組研究的方向就是：通過(guò)調控分子組裝過(guò)程，利用溶液法來(lái)打印電子材料。
　　流體控制技術(shù)：讓電子流動(dòng)更高效
　　溶液打印不是一個(gè)新的技術(shù)，“我們到新的地方在于可以控制到納米甚至分子層面的結構。”對比普通的3D打印，只能控制到微米級別。“中國唐代已經(jīng)有印刷術(shù)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。”刁瑩說(shuō)。印刷報紙的時(shí)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里面的結構是怎樣的。
　　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制，也很容易打印柔性材料。
　　電子材料對于結構的控制要求非常高。進(jìn)入微觀(guān)層面，分子的結構、形態(tài)，即使微小的變化，都會(huì )對最終的材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，有時(shí)甚至是數量級的改變。如何精細地控制分子的結構？這就需要利用分子的自組裝特性。分子會(huì )依據其特性，自發(fā)地從無(wú)序變?yōu)橛行?，通過(guò)一些方式進(jìn)行引導，就可以讓分子按需排列。
　　刁瑩實(shí)驗室最近的一個(gè)發(fā)現，是將原來(lái)卷曲的高分子結構拉平，從而實(shí)現更好的光電性能。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(guān)鍵，因此共軛聚合物具有很大的電氣光學(xué)應用潛力。但是也存在問(wèn)題，這些聚合物的形態(tài)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(dòng)力，很難進(jìn)行大規模量產(chǎn)。刁瑩團隊發(fā)現，在分子打印過(guò)程中，受到溶液流動(dòng)體的引導，共軛聚合物的分子可以在一個(gè)特殊階段變成平面形狀，并在溶液沉淀后繼續保持這一形態(tài)。發(fā)現了這個(gè)機制后，刁瑩團隊希望能夠進(jìn)一步研究它的普遍性，讓流體控制技術(shù)在溶液打印中更廣泛使用。
　　創(chuàng )新打印方式：動(dòng)態(tài)模板
　　2018年，刁瑩經(jīng)歷了一次艱辛的突破，她嘗試了新的研究概念——動(dòng)態(tài)模板。她和團隊的伙伴們做了很長(cháng)時(shí)間，最終證明了“動(dòng)態(tài)模板”這一方法在分子溶液打印中的可行性。此前，在分子組裝中只有類(lèi)似于“靜態(tài)模板”的技術(shù)。2014年的諾貝爾物理學(xué)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(shù)。制造藍光的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，從而控制藍光LED的材料有序生長(cháng)。
　　“動(dòng)態(tài)模板”的概念則受到了自然界生物礦物質(zhì)合成的啟發(fā)。“我們觀(guān)察自然，被生物系統的方式所啟發(fā)。”刁瑩介紹到。但是不僅僅如此，這其實(shí)是一次逆向思維的過(guò)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(zhì)的形成機制所吸引。自然界的珍珠就是通過(guò)動(dòng)態(tài)模板來(lái)實(shí)現離子組裝的。
　　高分子的動(dòng)態(tài)模板本身非常無(wú)序，但是卻可以引導礦物質(zhì)離子形成有序的結構。原因在于模板和聚集的礦物離子之間會(huì )彼此協(xié)同。離子會(huì )在模板附近形成凝聚層，動(dòng)態(tài)模板也會(huì )調整自己，來(lái)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(lái)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(zhì)合成的過(guò)程中，是高分子來(lái)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(lái)組裝高分子。”
　　研究最終證明，通過(guò)動(dòng)態(tài)模板技術(shù)，能夠打印出高度取向、高度結晶的聚合物薄膜。這項控制分子組裝的技術(shù)有廣泛使用的潛力。
　　制造未來(lái)的材料
　　刁瑩所帶領(lǐng)的研究小組，目標是理解基本分子組裝過(guò)程，來(lái)控制打印材料的特性，最終為醫療設備、能源等領(lǐng)域提供節能高效的材料制造。
　　2016年，她在研究柔性太陽(yáng)能電池方面取得突破。通過(guò)控制納米層面的結構，加快電荷的分離速率，從而提高光電轉化效率。2020年開(kāi)始，她的團隊繼續之前的研究，從更微觀(guān)的分子層面來(lái)控制結構，進(jìn)一步提高光電轉化效率。同時(shí)，她們也在研究如何控制分子的自組裝過(guò)程，讓打印出來(lái)的太陽(yáng)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(guò)自己的努力，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(lǐng)域轉到有機電子材料，就是希望能離可應用的技術(shù)近一些，想看到自己的研究對現實(shí)真正產(chǎn)生影響。目前，電子材料的主流制作方法還是蒸鍍。“蒸鍍的方式其實(shí)是很貴的，像我們買(mǎi)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。”