研究方向 研究方向

回到完整页面

静电层层自组装

聚合物薄膜和涂料广泛应用于国民经济和国防的许多领域,受到人们的普遍关注。近二十年发展起来的静电层层自组装技术利用带相反电荷的聚电解质在固/液界面通过静电作用交替沉积形成多层膜,具有操作简单、膜厚精确可控、成本低、成膜物质丰富、可适用于不同大小形状的基底等诸多优点,成为构建超薄膜的常用方法。为了实现薄膜的功能化,可以将无机纳米粒子、蛋白质、病毒、DNA和聚电解质等功能性基元直接组装构筑功能薄膜。例如,我们将空心纳米粒子引入薄膜,能够降低聚酰亚胺薄膜的介电常数,这对于微电子领域的应用具有重要意义(Chem. Mater.2006, 18(16), 3726);将直径约30纳米的球形豇豆花叶病毒组装成薄膜,能调控材料表面的细胞相容性(Acta Biomater.2008, 4, 838),增强有机共轭分子的自发发射光放大(J. Appl. Phys.2009, 105, 013511);以带二茂钴侧基的聚合物组装成膜,由于其氧化还原特性,在电位刺激下能迅速解体,可望应用于薄膜开关及药物可控释放(Polym. Chem.2014, 5, 6480)。

 

功能复合薄膜

纳米粒子在催化、抗菌、光电转换、微量物质检测、传感器、示踪等方面具有巨大的应用前景。在实际应用中往往需要将其固定在载体中以防止聚集、保持活性。我们以静电组装膜作为载体和纳米反应器,利用膜中存在的过量电荷及其抗衡离子,通过抗衡离子交换和原位反应制备负载纳米粒子的功能性复合薄膜,纳米粒子的尺寸和含量可调、结构可控(Langmuir2009, 25, 12355);制备的多层膜负载铂纳米粒子具有优良的催化特性,可望用于甲醇燃料电池(J. Mater. Chem.2011, 21, 11783);具有核壳结构的纳米粒子及合金粒子显示了协同催化效应,优于单金属粒子(Adv. Mater.2012, 24, 4574;Langmuir2014,30, 15345);合成的空心纳米粒子的表面等离子共振吸收位于近红外区,在光热治疗方面具有应用前景(Langmuir2013,29, 6722)。

 

智能表面

利用组装技术构筑智能表面是当前的研究热点,人们尝试了许多方法,但往往比较复杂,或只适用于特定基底。而静电组装恰好具有简单易行、适用于各种不同材质基底的优点。我们利用静电组装膜中存在的过量电荷及其抗衡离子,在不同基底表面组装多层膜后通过离子交换方法实现了材料表面润湿性的快速、可逆调控(Chem. Commun.2008, 5972)。应用这个方法可以方便地修饰材料,使其具有类似荷叶表面的超疏水自清洁性质(Soft Matter2009, 5, 2072),或者类似玫瑰花瓣的粘性超疏水性质(Langmuir2011, 27, 15299),也可以制备润湿性从超亲水至超疏水可调的动态响应性智能表面(Langmuir2010, 26, 12203),以及从超亲至超疏的梯度润湿性表面(ACS Appl. Mater. Interfaces2014,6, 1729),还有能够在空气和海水中都能抗油污的表面等(ACS Appl. Mater. Interfaces2013,5, 6400)。我们还将微米孔径的不锈钢网格用多层膜修饰,以此实现了选择性的油水分离(J. Mater. Chem. A2014,2, 15284)。

         

 

单分子层纳米晶须

共轭高分子半导体材料具有质轻、价廉、可溶液加工等特点,有望用于大面积的柔性光电器件领域,其中聚3-己基噻吩(P3HT)因稳定性、可溶液加工性及高的载流子迁移率等优点,成为构筑有机场效应晶体管及有机太阳能电池的最有前途的高分子半导体材料之一。控制条件使P3HT分子形成高有序度的结构,能有效提高其载流子迁移率及器件性能。最近我们发现了一种新的P3HT纳米晶须结构,其长度大于10 μm,宽度约30 nm,而厚度仅为1.6 nm,正好是一个P3HT晶体片层的厚度,其结构高度有序,是首次发现的不需基底诱导、支持的高分子二维晶体(Polym. Chem.2013, 4, 4308;Macromolecules2014, 47, 3708)。这种二维有序的P3HT纳米晶须形成的网络的场效应迁移率为10-2cm2V-1s-1,比文献报道的P3HT单分子层高2~3个数量级,是P3HT分子在π-π堆积方向所能达到的载流子迁移率。

 

高分子微结构的光谱学研究

高分子体系在微纳尺度上的形貌结构对其性能具有重要意义,微纳尺度相区的组成和结构是高分子研究从合成到性能之间承上启下、不可或缺的必要环节。传统的红外光谱是表征聚合物化学组成和微结构的强大方法,能够提供丰富的材料结构组成信息,但受到光学衍射极限的限制,其空间分辨率只能达到5-10微米,难以直接研究微纳尺度相区的结构和组成。我们将许多根高分子纳米线平行排布形成阵列,就能够用显微红外光谱方法进行研究,可以定量地分析结晶区和非晶区的结构,发现空间限制导致纳米线中的结晶度随着直径而减少(Macromolecules2007, 40, 4244),结晶沿着孔洞的长轴方向存在梯度分布现象,而且受限可能导致混合晶型的产生(Macromolecules 2008, 41, 7755);通过对分子取向度的定量分析,发现了纳米孔洞表面诱导平行结晶的机理(Macromol. Rapid Commun. 2009, 30, 194;Macromolecules 2012, 45, 5196)。

最近出现的原子力红外(AFM-IR)技术将红外光谱仪和原子力显微镜结合起来,利用样品吸收红外光后产生的光热诱导共振,以原子力探针检测红外吸收响应信号,从而使红外光谱的空间分辨率突破了光学衍射极限的限制,达到~50纳米水平,因此也被称为纳米红外。我们以纳米红外技术研究高抗冲聚丙烯(HIPP)不同相区的组成,首次实现了对聚合物纳米相区组成的定量分析,发现一些HIPP体系中橡胶粒子的硬核的主要成分是聚丙烯(Anal. Chem. 201688, 4926)。

这一成果发表后引起了国际同行的关注和好评。开发和引领纳米红外技术的Anasys Instruments认为这是纳米红外技术领域的新突破,在其网站上作为NewsHigh Impact Research予以介绍;随后中国科学院网站在"科研进展"栏目专文介绍了这项工作。