基于界面受限构建聚合物/无机纳米粒子复合有序组装体

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自组装是组装基元通过自下而上自发形成有序结构的过程,是制备有序材料的有效方法之一。研究表明,当组装基元在受限条件下组装时,往往会表现出不同于非受限状态下的组装行为,可以得到非受限状态下难以获得的有序自组装体。目前,人们对有机高分子的受限自组装研究已经较为深入,而采用受限的策略制备形状可控且结构均一的聚合物/功能性无机纳米粒子复合有序组装体,仍面临较大挑战。特别是当组装基元在软受限环境下组装,并且与界面之间存在相互作用时,精确调控组装基元和受限界面的相互作用是十分困难的。本论文以嵌段共聚物以及聚合物接枝的无机纳米粒子为组装基元,研究了两种组装基元在软受限条件下的自组装行为,制备了一系列纳米粒子有序排列的聚合物/无机纳米粒子杂化及超晶格组装体。系统考察了受限界面性质、组装基元表面性质及受限程度等因素对组装结构的影响,为设计与制备不同维度的多级有机/无机复合与超晶格组装体提供了新的方法和科学依据。具体研究内容及结果如下:1.纳米粒子分布可控的有机/无机复合纳米棒:以“扁平乳液受限法”制备的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-b-P4VP)二维均一片层结构为模板,制备了无机纳米粒子可控分布的有机/无机复合纳米棒,并系统探究了无机纳米粒子在一维纳米棒中空间分布位置的影响因素。研究结果表明,杂化纳米棒尺寸均匀、结构均一,且纳米粒子在纳米棒中的分布位置与金属离子前驱体和P4VP嵌段络合能力、P4VP质子化程度及络合时间等实验因素有关。通过系统调控这三个参数,实现了无机纳米粒子在一维纳米棒中的均匀分布及在纳米棒两端的选择性分布。2.二维单层大面积超晶格组装体的制备:研究了聚苯乙烯(PS)接枝的无机纳米粒子组装基元在二维界面受限下的自组装行为。本实验提出了溶剂退火组装法,成功制备了尺寸在毫米级别以上的二维单层超晶格薄膜。研究结果表明,通过改变表面配体PS链段的分子量,可制备得到一系列相邻粒子间距可调的单层超晶格薄膜。该方法具有普适性,组装结构不受到纳米粒子尺寸、种类等因素影响,为制备大面积单层超晶格组装体提供了通用有效的策略。3.利用乳液界面不稳定性制备金纳米粒子三维超晶格组装体:以聚苯乙烯和聚(2-乙烯基吡啶)或聚(4-乙烯基吡啶)共同修饰的金纳米粒子作为组装基元,研究了三维乳液受限下,乳液液滴的界面不稳定性对组装基元组装行为的影响。研究结果表明,由于P2VP和P4VP配体与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDS)具有较强的相互作用以及pH响应性,因此,SDS浓度以及表面活性剂水溶液的pH值对液滴形变及界面不稳定性的触发起着决定性作用。增加表面活性剂SDS水溶液的浓度或者降低表面活性剂水溶液的pH值,能够降低界面张力值,触发乳液液滴的界面不稳定性,进而导致液滴形变,获得金纳米粒子三维片状超晶格及中空胶囊结构。4.利用软乳液界面变形构建正多面体超晶格:研究了聚苯乙烯和聚(2-乙烯基吡啶)共同修饰的金纳米粒子组装基元(AuNPs@PS/P2VP)在三维软受限下的自组装行为。研究表明,组装体的形状及结构主要取决于表面活性剂浓度、组装基元表面亲/疏水平衡及受限程度。表面活性剂浓度增加,乳液界面张力值相应降低,乳液液滴逐渐自发变形。在相对高的受限程度下,当AuNPs@PS/P2VP组装基元的疏水性较强时,乳液轻微变形,获得麦凯二十面体组装体。随着组装基元表面亲水性增加,组装基元和表面活性剂共同吸附在乳液界面,使乳液进一步变形,最终获得聚合物/无机纳米粒子正四面体超晶格组装体。就目前所知,有关正四面体超晶格组装体的工作还未见报道。
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