2-3、液相法多通道并行合成微纳粉体样品库

刘茜^1*，孙松^2*，钟澄^3*

1.中国科学院上海硅酸盐研究所；2.中国科学技术大学；3.天津大学

摘要：高效实验方法是材料基因组工程的三大核心之一，而组合材料芯片高通量制备与表征技术是实现高效实验的捷径，是快速获取材料成分筛选/性能优化数据的核心技术，可为材料信息学及人工智能挖掘新材料提供实验数据基础，已成为当前新材料研发及传统材料改性升级的先进实验加速器。

在材料芯片高通量制备技术系列中，液相法多通道并行合成微纳粉体样品库是一个重要分支，其特点在于样品制备速度快，样品阵列中每一独立样品的空间尺度及体量足以满足现有表征技术对样品的要求，可快速建立材料成分-结构-性能之间的关联规律。但现有液相法并行合成技术存在样品成分混合不均，无法对分立样品进行逐点或分区热处理等不足。

本报告在综述近几年无机粉体材料高通量并行合成技术国内外进展的前提下，重点介绍2016年启动的国家重点研发计划项目“低维组合材料芯片高通制备及快速筛选关键技术与装备”中相关“液相法多通道并行合成微纳粉体样品库”的技术进展与特点，包括组合溶液注射法合成微纳粉体前驱物结合激光加热固化技术，组合溶液喷射合成仪优化以及溶胶-凝胶、水热/溶剂热并行合成技术，以及基于微尺度空间流体操控制备微纳粉体组合材料芯片技术。

中科院上海硅酸盐研究所发展了组合溶液注射法合成微纳粉体前驱物结合激光加热固化技术。基于压力注射泵原理设计并建立了多通道并行合成系统，实现了多通道液相合成前驱物在限域空间下的输运、分配、定点注入及智能控制；每通道液滴控制量可达1-25ml，满足掺杂成分的控制精度；可控化学组分≥3种。注液针排由机械臂带动在二维方向可控移动，向阵列微反应器内注入成分设定的反应溶液，可在2小时内快速完成样品单元数>100的阵列溶液样品库制备、在线超声震荡混合及原位脱水干燥（≤140^oC），获得反应前驱物样品库。针对实现反应前驱物样品库的固相反应和结晶所需的能量馈入，采用激光能控加热方式，重点解决了激光光源选型及匹配、激光能量（功率）、激光光斑尺寸、加热时间等关键参数优化，以及红外测温技术及温升过程的视频监控问题。

• 溶胶-凝胶、水热/溶剂热并行合成技术。基于微压电喷墨原理，生成喷射指令，控制喷头和微反应器移动平台的协调动作，完成原料定点输送，形成混合液体库。压电喷头数8个，喷射平均液滴体积为10 nL，误差± 2 %；喷射频率500 Hz-1000 Hz；可实现对水溶液、悬浮液等多类溶液的稳定喷射，制备10´10阵列样品库仅需1-2小时。溶胶-凝胶及水热/溶剂热反应器阵列密度均大于100，单个微反应器体积10 ml。集成了万向筛和超声层，通过机械振动和超声分散以确保反应物在微反应器中均匀混合。水热/溶剂热并行合成反应器采用分层结构设计，单个微反应釜体积约10 ml。微反应器加热层采用高导热性电热板，保证阵列反应温度的均一性，最高反应温度300^oC。不同加热层采用独立控温方式，以实现不同温度梯度的并行反应。

天津大学发展了基于微尺度空间流体操控制备微纳粉体组合材料芯片的技术。通过微流体的反复分裂合并，在一次实验中可快速生成系列浓度梯度（数秒到数十秒）。浓度梯度发生部外端部设有2-4个进液口（直径1 mm），进液口以“圣诞树”型流道形式向内发散延伸（流道宽100 μm，深100 μm），在浓度梯度发生部的内端部形成10-20个出液口（直径1 mm），出液口向温度梯度发生部延伸出相应的液体流道，每条液体流道中均设置有若干个反应器。基于微流控芯片优化了微通道反应环境下的流体驱动、流体混合和热交换技术。设计并制作了集成20个浓度梯度和5个温度梯度的反应器阵列（含100个样品）。红外热像图显示所制样品阵列形成了5个梯度温度区间，温度范围60~250^oC，温度区之间界限明显，不存在互扰情况，确保了实验条件的均匀及稳定。

液相法多通道并行合成微纳粉体样品库技术正向着更实用化、更智能化、更通用型的方向发展，与可控加热技术、人工智能及大数据技术结合后，将为材料实验数据的快速产生、处理、传输和应用奠定坚实的基础。

关键词：并行合成；样品阵列；液相法；溶胶-凝胶；微流控芯片

通讯作者1：刘茜（并行合成及激光加热技术），021-52412413，Email：qianliu@mail.sic.ac.cn

通讯作者2：孙松（溶胶-凝胶高通量制备技术），0551-63601992-1124，Email: suns@ustc.edu.cn

通讯作者3：钟澄（微流控芯片制备技术），13816928737，Email:cheng.zhong@tju.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.203