界面微纳组装的机理研究

【摘要】微纳米材料界面自组装，特别是基于油-水的液液界面自组装，由于其具有可控性强、普遍适用性、简单易行、高效、组装形成薄膜质量高、干扰因素小等独特优点近年来不断受到研究人员的青睐。近年来，对于微纳米材料的组装，仍仅限于实验探究阶段，Au，Ag，Pt，SiO2，CoPt3纳米粒子，1D纳米结构，2D纳米片等一系列纳米材料已经实现了在油-水界面成功自组装成紧密的有序堆积纳米结构薄膜。但是他们对于界面组装的过程分析及快速组装形成大面积单层有序薄膜的机理方面的认识还有待于深入研究，对于影响组装的因素例如时间、浓度、诱导剂类型等的研究不系统、不深入。因此本论文针对组装结果与影响组装的因素的相互关系、相变过程、组装过程出现的点缺陷、线缺陷及部分面缺陷的原因等问题来开展研究。研究结果对于实现微纳米材料大面积有序组装，构建纳米器件有着重要的指导意义。本文开展的主要研究工作和取得的重要结果如下：1.单分散高的微纳米颗粒的制备。先是通过改进的Stober法制备SiO2微球，然后采用简单的sol-gel法制备了SiO2@Ag核壳结构复合材料。所得SiO2微球单分散性良好，尺寸为300nm，标准偏差接近5﹪，符合组装要求。SiO2@Ag微球的单分散性良好、粒径为350nm，表面银纳米粒子为晶态，粒径范围为10-50nm。2.开放环境下油水界面组装微纳米颗粒的条件及机制研究。利用培养皿提供的开放环境条件在油水界面组装单分散性SiO2、SiO2@Ag、PS(聚苯乙烯)微纳米粒子，并且研究了不同的诱导剂无水乙醇和水对组装结果的影响，并分别对组装过程出现的缺陷原因和组装机理进行了分析。对于影响组装结果的主要因素组装时间、浓度，我们也做了系统的研究。结果表明当组装时间为30min时，我们可以得到SiO2、SiO2@Ag大面积单层六方紧密堆积薄膜；当水作为诱导剂时，在组装约1min后就可以得到大面积约50cm2有序薄膜，而乙醇作为诱导剂时薄膜的有序性会更好；当PS悬浮液浓度为0.5%时，薄膜的线缺陷更少，薄膜质量更高。对比组装结果，表明纳米粒子SiO2，微米级PS小球适合界面组装，得到单层薄膜，可以作为构建纳米器件的模板。SiO2@Ag纳米粒子，由于表面Ag纳米粒子不均匀对称分布，因此组装过程中容易出现大的空位和缺陷，因而不太适合界面组装。3.限域环境下微纳米颗粒界面组装的过程及机理分析。通过构建一个限域的环境条件对微米级PS球的组装过程进行实时观察，并对组装机理从热力学和动力学角度进行分析。对于影响PS球组装结果的条件如浓度、表面活性剂的用量进行了优化。我们发现在薄膜形成六方紧密堆积相之前会先出现无定形相或是四方相，中间则为四方、六方混相，最后则为六方相。而无水乙醇对于四方相的出现起着关键作用。当PS悬浮液浓度为0.5%，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.05mol/L时，可以得到比较好的大面积单层紧密堆积薄膜。
【作者】杨虎；
【导师】李超荣；
【作者基本信息】浙江理工大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】微纳米粒子；界面；自组装；有序结构；相变；

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