纳米级材料为我们提供了惊人的化学和物理特性，有助于将单分子传感和微创光热疗法等曾经只是理论的应用变成现实。纳米粒子的独特能力使其成为广泛应用的有利材料，既可用于研究也可用于工业用途。然而，由于缺乏快速均匀地转移单层纳米粒子的技术，实现后者变得困难，而这对于设备制造至关重要。

解决这一困境的一个可能方法是采用静电组装工艺，其中纳米粒子附着在带相反电荷的表面上，一旦形成单层，纳米粒子就会通过排斥其他带类似电荷的纳米粒子远离表面来自我限制进一步组装。不幸的是，这个过程可能非常耗时。

虽然人工方法难以克服这些缺点，但自然界中发现的水下粘附过程已发展成为克服这一问题的独特策略。在这方面，光州科学技术学院的一组研究人员在博士生 Doeun Kim(第一作者)和助理教授 Hyeon-Ho Jeong(通讯作者)的带领下，开发了一种“受贻贝启发”的一次性纳米颗粒组装技术，该技术可在 10 秒内将微观体积中的材料从水中运输到 2 英寸晶圆上，同时实现 2D 单层组装，表面覆盖率高达 40% 左右。他们的工作于 2024 年 4 月 18 日发表在《先进材料》上，并被重点介绍为封面

“我们克服现有挑战的关键方法来自于对贻贝如何通过水到达目标表面的观察。我们发现贻贝同时辐射氨基酸以分离表面的水分子，从而使化学粘合剂能够快速附着在目标表面上。我们意识到，类似的情况是，我们引入过量的质子来去除目标表面的羟基，从而增加纳米颗粒和表面之间的静电吸引力并加速组装过程，”当被问及这种独特的自然启发方法背后的动机时，金女士解释道。

研究人员设计了目标表面和纳米粒子的静电表面电位，以质子动力学为驱动力。这使得纳米粒子在几秒钟内均匀地停留在目标表面上。

为了测试将质子工程引入静电组装过程的有效性，该团队将单层组装时间与传统技术进行了比较。结果表明，新技术的涂层速度比以前报道的方法快 100 到 1,000 倍。纳米粒子扩散和组装加速的原因与质子去除目标区域上不需要的羟基的能力有关。

研究人员进一步发现，底层工艺的电荷敏感特性使得单层薄膜的确定性“修复”和晶圆级“拾取和放置”纳米图案成为可能。此外，该技术还允许通过等离子体结构制造晶圆级全色反射超表面，从而为全色绘画和光学加密设备的生产开辟了新途径。

这项受自然启发的新概念验证是朝着功能性纳米材料单层材料被广泛接受迈出的重要一步。“我们设想这项研究将加速功能性纳米材料对我们生活的影响，并推动单层薄膜的大规模生产，从而促进从光子和电子设备到用于能源和环境应用的新型功能材料的广泛应用，”Jeong 教授总结道。