“超分子相互作用在分子尺度上是成立的,那它在宏观尺度上,还能不能成立?”
在甬江实验室最新一期高山讲堂上,上海交通大学溥渊未来技术学院特聘教授石峰,用这样一个看似简单、却长期悬而未决的问题,开启了他的报告。围绕“宏观超分子组装”这一研究方向,他系统梳理了团队十余年来从基础机理、方法建立到工程应用的探索路径,也展示了这一方向在 Micro-LED 显示芯片巨量转移等关键技术中的现实潜力。
这是一场从问题出发、紧扣材料与实际应用的讲座。石峰教授并未急于展示成果,而是一步步拆解:为什么传统超分子组装在宏观尺度会“失效”?又该如何重新建立一套可设计、可控制的宏观组装体系?

为什么要做“宏观”的超分子组装?
讲座伊始,石峰首先回顾了超分子化学的发展背景。自“超分子”概念提出以来,基于氢键、静电作用、主客体识别等弱相互作用构筑结构与功能体系,已成为材料化学的重要研究方向。这类作用力可逆、温和,使材料具备响应性、自修复性等独特优势。
但问题在于,这些优势大多建立在分子或纳米尺度之上。一旦研究对象变成微米级、甚至毫米级的宏观构筑单元,超分子相互作用往往“看不见、用不上”。

“真正进入工程应用时,材料不可能永远停留在分子尺度。”石峰指出,无论是结构材料、功能器件还是显示芯片,最终都需要在宏观尺度上完成组装与集成。如果超分子组装只能停留在微观层面,其应用空间将极为有限。
因此,如何实现精准宏观超分子组装,构建有序超分子结构,成为了制约宏观超分子组装发展的瓶颈问题之一。正是在这样的思考下,石峰团队将研究重点从“如何把分子组装得更复杂”,转向了一个更基础的问题:在宏观尺度上,超分子相互作用是否还有可能发挥决定性作用?
宏观超分子组装难在哪里,又该如何破解?
在讲座中,石峰用大量实验观察解释了宏观超分子组装为何长期被认为“不可控”。
首先是尺度失配问题。宏观材料表面通常存在几十纳米量级的粗糙度,而超分子相互作用的有效距离只有埃到纳米量级。这意味着,即便在表面修饰了大量识别基团,真正能够发生有效作用的位点仍然极少,难以形成稳定连接。

其次是动力学问题。与分子体系不同,宏观构筑基元无法依靠热运动自由碰撞,组装过程往往依赖外力驱动。在这种情况下,体系很容易停留在“看似稳定、但并非理想”的非精准结构中,而难以自动演化为目标构型。
围绕这些限制条件,石峰团队提出了一个关键设计思路:让构筑基元的界面“变软”。
通过系统实验,团队发现,当构筑基元表面具备足够的柔顺性时,在碰撞和接触过程中,界面可以发生微小形变,使更多超分子识别基团进入有效作用距离,从而显著提升组装概率和结合强度。以水凝胶体系为模型,实验结果显示,在低弹性模量条件下,宏观构筑基元几乎可以实现接近百分之百的组装成功率。

在此基础上,团队进一步发展了柔性间隔层修饰策略,使原本刚性的金属、玻璃、树脂等材料,同样能够参与宏观超分子组装。通过对比实验验证,这种结合并非简单粘附,而是由超分子相互作用主导。“当界面条件被重新设计后,宏观超分子组装就不再是偶然现象,而是可以被工程化利用的过程。”石峰总结道。
从“能组装”到“用得上”:面向 Micro-LED 的工程探索
实现宏观组装只是第一步,真正面向应用,还必须解决精准性和规模化问题。
石峰详细介绍了团队如何通过“自纠错”机制,解决宏观组装中非精准结构比例过高的问题。通过调控解组装动力学过程,使非理想结构优先解离、精准结构得以保留,并结合多轮循环与自动化筛选,最终实现了高比例、高一致性的精准宏观超分子组装。

这一方法,也成为宏观超分子组装从“实验现象”走向“可用技术”的关键一环。
在应用层面,石峰重点介绍了该方法在 Micro-LED 显示芯片巨量转移中的探索。Micro-LED 被认为是下一代显示技术的重要方向,但其产业化面临的核心瓶颈之一,正是大量微小芯片的高精度、高效率转移。传统机械或激光转移方式成本高、复杂度高,且随芯片数量快速放大。
相比之下,宏观超分子组装在动力学机制上对构筑单元数量并不敏感。通过表面结构设计实现预对准,再结合柔性界面固定策略,团队在小尺度实验中实现了高转移准确率,为 Micro-LED的低成本制造提供了一条全新的技术路径。
石峰强调,宏观超分子组装的价值,在于它为复杂器件的集成提供了另一种可能。“我们并不是要用一种方法解决所有问题,而是希望提供一种新的工程思路。”

从界面“变软”带来的可设计性,到组装过程中的“自纠错”,再到 Micro-LED 巨量转移的应用尝试,石峰教授把宏观超分子组装讲得具体、也讲得可用。想来很多看似被尺度拦住的难题,往往不是方法不够强,而是关键条件还没摆对。当界面与过程被重新设计,结果就会朝着可控的方向走。对材料构筑与器件集成来说,这样的思路不仅提供了新的工具箱,也为后续更大规模、更复杂场景的验证与应用留下了空间。


