简单对流自组装制备层数可控有序阵列

利用简单的方法和较少的胶体乳液,在没有任何特殊设备的情况下制备出了二维和三维的有序阵列.通过控制胶体乳液浓度获得了层数可控的胶体晶体有序阵列.通过使用现有成膜模型模拟沉积行为揭示胶体晶体阵列在生长过程中控制冷凝蒸发过程的机理,对自组装过程中颗粒转移和溶剂蒸发之间的平衡细节进行了详细的讨论.利用阵列横截面的SEM显微照片来观测样品的厚度和均匀性,通过反射光谱来观察样品的光学性质.     

蒸发自组装法制备聚苯乙烯胶体晶体

采用乳液聚合法制得亚微米级聚苯乙烯单分散微球,并用蒸发自组装法在乳液气-液界面进行自上而下的层层组装,制得了厚度在450μm以上的三维有序胶体晶体。结果表明,影响胶体晶体有序性的关键因素是对蒸发速度的控制,促使胶体晶体规则排列的最主要作用力为溶液的毛细管力。在胶体晶体组装末期,随着溶剂量的减少,空间阻力逐渐增大,微球对流能力下降,造成胶体晶体的有序性降低。     

ZnO光子晶体的制备和光学特征

通过制备过程中严格分离晶核的形成和生长两步骤, 成功获取了直径一致的单分散ZnO胶体球, 并通过控制晶核的数量来调节胶体球大小. 利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对其进行了结构和成分表征. 通过加热条件下的重力场自组装, 把ZnO单分散胶体球的浓缩液滴到140 ℃下的各种不同的基底上, 随着溶剂蒸发, 胶体球自组装成光子晶体, 最后测量了光子晶体的光透过率, 胶体球直径为220、250 nm的光子晶体分别具有对应着中心波长为460、540 nm的光子带隙.     

SiO2胶体晶体垂直沉积自组装方法的改进

采用垂直沉积技术及相应的改进方法,使用化学合成的400 nm单分散二氧化硅微球自组装制备了胶体晶体薄膜。通过扫描电镜与分光光度计对样品的微观结构与透过光谱进行了表征,并对比研究了不同的垂直沉积方法对胶体晶体的影响。结果表明,通过温度与流量控制两种改进手段,均能制备具有六方密堆结构周期排列的胶体晶体薄膜。在垂直沉积过程中适当的升高温度有利于降低胶体粒子的用量,而通过流量控制的垂直沉积技术则可以有效缩短自组装时间。通过调节蠕动泵改变液面与基板的相对运动速度,或者调控温度改变胶体溶液的蒸发速率,可在材料表面形成单层或多层的胶体晶体薄膜。改进的垂直沉积技术将有望应用于快速沉积大面积、高质量的胶体晶体材料。     

采用微流注射法在光纤端面制备单层胶体微球薄膜

提出了一种在光纤端面制备单层胶体晶体薄膜的新方法——微流注射法,利用针尖微量注射胶体微球溶液,该方法可以在气/液界面直接形成大面积六角密排的周期纳米球阵列,面积达到平方厘米级别,再利用二维胶体单层膜的可转移性,将薄膜转移至到光纤端面衬底上,形成单层胶体微球有序薄膜.采用扫描电子显微镜和光谱分析仪对样品形貌、结构以及光学特性进行了表征和分析.电子显微镜图像表明,光纤端面的胶体晶体为六角密排阵列结构.透射光谱表明,该结构具有光子晶体的带隙特征,带隙的中心波长约为700和850 nm,与分析软件FDTD Solutions仿真结果相吻合.结合溅射沉积方法,得到了银纳米球壳阵列结构,检验了其局域表面等离子体共振效应(LSPR).对比讨论了溶液浓度、弯月面的形成及注射速度等因素对微流组装胶体微球薄膜质量的影响.     

胶体晶体

简要综述胶体晶体的研究进展情况,主要介绍胶体粒子的简单自组装、模板引导下的自组装和二元胶体晶体组装等几类主要的胶体晶体制备技术,并概述胶体晶体在光子晶体、传感器、光子纸张、三维有序大孔材料、二维纳米结构阵列等方面的应用。     

气液界面胶体球刻蚀法制备二维有序多孔薄膜

作为一类重要的二维材料, 二维有序多孔薄膜受到人们的广泛关注. 气液界面胶体球刻蚀法是近些年发展起来的一种以漂浮在液面上的单层胶体晶体为模板来制备二维有序纳米结构的方法, 具有简单、高效、重现性好、适用范围广以及结构参数易调变等优点. 近年来, 我们课题组利用气液界面胶体球刻蚀法实现了包括多种无机物纳米网、纳米碗阵列和纳米网-纳米碗复合阵列在内的一系列自支撑二维有序多孔薄膜的可控制备, 考察了其二维光子晶体性质, 并研究了其在刻蚀掩膜、溶剂检测、生物传感、电阻开关器件、光电化学分解水等方面的应用. 本文在重点介绍我们课题组研究进展的同时, 也简要总结了该领域的整体发展状况并展望了该领域的今后发展方向.     

单分散表面带正电荷聚苯乙烯胶体粒子的制备及胶体晶体阵列的构筑

以苯乙烯为单体,甲基丙烯酰氧乙基-N-辛基二甲基溴化铵为功能单体,偶氮二异丁基脒盐酸盐为引发剂,采用两步投料无皂乳液聚合方法,合成了单分散表面带正电荷的聚苯乙烯胶体粒子。在低离子强度的水溶液中,该胶体粒子可以通过表面电荷的静电排斥作用,自组装成胶体晶体阵列并产生Bragg衍射,随着乳液固含量的降低,Bragg衍射波长红移。     

有序Au/Ag纳米碗阵列的简易制备及其表面增强拉曼散射性能

通过湿法化学合成基于SiO₂胶体晶体的大面积有序Au/Ag纳米碗(Au/AgNB)阵列。首先,在玻璃基板上以3D SiO₂胶体晶体作为模板。然后,在Au纳米颗粒(AuNP)种子的帮助下,通过原位生长方法在模板上沉积一层Au纳米壳(AuNS)。再通过HCHO还原Ag⁺使AuNS表面进一步沉积Ag纳米壳,形成Ag/Au双纳米壳(Ag/AuNS)阵列。通过丙烯酸酯改性双向取向聚丙烯(BOPP)方便地获得了单层有序反转Ag/AuNB阵列。这种有序Au/AgNB阵列具有更佳的表面增强拉曼散射(SERS)活性,其SERS分析增强因子(AEF)可达2.23×10⁷。     

高透光性有序银网阵列的制备

以水珠为模板制备了聚己内酯(PCL)有序多孔膜. 利用水珠在冷的高分子溶液表面凝结形成有序阵列, 溶剂蒸发后, 高分子材料按照水珠排列的形貌形成了有序多孔膜. 改变蒸发溶液的体积可得到具有透光性的有序贯通膜, 对该膜喷金后在银溶液中置换得到了有序银网阵列膜. 这种银网阵列不仅能够导电, 而且比聚己内酯阵列膜具有更高的透光性和柔韧性.     

有序Au/Ag纳米碗阵列的简易制备及其表面增强拉曼散射性能

通过湿法化学合成基于SiO₂胶体晶体的大面积有序Au/Ag纳米碗(Au/AgNB)阵列。首先,在玻璃基板上组装3D SiO₂胶体晶体作为模板。然后,以Au纳米颗粒(AuNP)为种子,通过原位生长法在SiO₂模板上沉积一层Au纳米壳(AuNS)。再通过HCHO还原Ag⁺成Ag⁰,进一步在AuNS表面沉积Ag纳米壳,形成Ag/Au双纳米壳(Ag/AuNS)阵列。最后通过丙烯酸酯改性双向取向聚丙烯(BOPP)膜方便地获得了单层有序反转Ag/AuNB阵列。这种有序Au/AgNB阵列具有更佳的表面增强拉曼散射(SERS)活性,其SERS分析增强因子(AEF)可达2.23×10⁷。     

金属AI薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法.我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜,Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数,成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置.为了检验该微池装置的有效性,我们分别测试了不同粒径(224,245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果,并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理,检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响.实验结果表明,该光子晶体呈面心立方结构,内部晶格完整,缺陷较少,带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好.此外,烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化,并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

金属Al薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法. 我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜, Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数, 成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置. 为了检验该微池装置的有效性, 我们分别测试了不同粒径(224, 245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果, 并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理, 检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响. 实验结果表明, 该光子晶体呈面心立方结构, 内部晶格完整, 缺陷较少, 带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好. 此外, 烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化, 并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

三维有序金纳米壳结构的可控制备及其SERS性能

采用金种子原位生长法,以SiO_2胶体晶体为模板,H_2O_2为还原剂实现了三维有序金纳米壳(GNSs)结构的可控制备,并对其生长过程中表面增强拉曼光谱(SERS)性能进行了研究。实验结果表明,通过控制反应时间、反应温度、还原剂H_2O_2及生长液K_2CO_3-HAuCl_4的量等参数实现了三维有序GNSs阵列的可控批量制备,并可根据需要去除SiO_2内核得到中空有序GNSs结构。通过对其SERS性能的研究,发现SiO_2表面完全被Au纳米粒子覆盖的粗糙结构具有最佳的SERS性能,且对应的中空有序GNSs结构显示出更优异的SERS活性。     

聚(苯乙烯-co-甲基丙烯酸)胶体晶体原位反转制备孔阵列研究

利用甲苯浸泡法,将聚(苯乙烯-co-甲基丙烯酸)(P(Sc-o-MAA))胶体晶体转变成孔阵列,利用扫描电镜和原子力显微镜详细研究了胶体球在向孔转变过程中结构的变化细节,同时利用表面元素分析法检测其反转前后元素含量的变化.结果表明,在选择性溶剂作用下,胶体球经历了溶胀—粘连—破裂—溶解—成孔—扩张等一系列变化,处于内核的聚苯乙烯被溶出胶体球后不仅填充到球与球之间的空隙中而且扩散到了溶剂中,而胶体球表面富集的聚甲基丙烯酸链段与溶出的聚苯乙烯混合物则主要对孔结构起固定和支撑作用,但长时间的甲苯浸泡最终会破坏孔的结构和阵列的完整性.     

基于聚丙烯酰胺的凝胶光子晶体膜制备及其响应性研究

由单分散聚苯乙烯乳液制备了聚苯乙烯胶体晶体阵列,并采用光引发聚合法用聚丙烯酰胺凝胶成功固定了胶体晶体阵列,制备了在可见光下显示明亮Bragg衍射光的凝胶光子晶体膜(PCCA).该PCCA膜具有优异复水性能和循环使用性能.在浓度5%~30%范围内,乙醇浓度每改变5%,其Bragg衍射峰平均移动超过20 nm;水解后PCCA膜具有良好的p H响应性.随p H值增加,当p H值的范围为2.36~8.15时,其Bragg衍射峰红移;当p H值大于9.6时,其Bragg衍射峰蓝移.而且凝胶光子晶体膜Bragg衍射峰移动对应的颜色变化很容易实现裸眼识别.     

纳米玉米醇溶蛋白微球稳定的O/W型Pickering乳液

利用相分离工艺制备玉米醇溶蛋白(zein)纳米微球,微球粒径可控制在40 nm左右;经旋转蒸发制得zein溶胶体系,zein溶胶具有明显的丁达尔现象,静置数月不聚沉,Zeta电位法测得zein微球在pH值为4.0时分散性能最佳。 以纳米zein微球为固相稳定剂制备O/W型Pickering乳液,考察了zein胶体加入量、油水体积比等因素对乳液稳定性的影响。 实验结果表明,zein胶体加入量的质量分数控制为0.4%,高油水体积比将有利于Pickering乳液的长时间稳定。 基于zein分子的两亲结构和界面组装特点,提出了zein微球稳定Pickering乳液的作用机制。     

带电悬浮粒子胶体晶体的固定化

采用光固化技术, 以丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺交联剂在紫外光的照射下发生光聚合反应, 嵌入聚苯乙烯胶体晶体, 实现了胶体晶体的固定化. 结合反射光谱和Kossel衍射技术研究对照了固定化前后胶体晶体的变化, 实验结果表明, 通过这种水凝胶固定化的胶体晶体保存了未固定前悬浮液中胶体晶体的结构. 但固定化后的胶体晶体的晶面间距和晶体的尺寸都略微减小. 通过对固定化后的水凝胶长时间的反射光谱观测, 发现固定化后胶体晶体在Milli-Q水中起初会发生溶胀, 经过2-5天溶胀-消溶胀过程达到平衡, 平衡后的水凝胶胶体晶体十分稳定, 可以长时间保持胶体晶体的结构. 因此, 胶体晶体固定化不但极大地提高了悬浮液中胶体晶体的抗剪切能力, 还克服了悬浮液中胶体晶体对离子、外界干扰的敏感性, 扩大了胶体晶体的实际应用价值.     

溶剂散逸自组装制备高分子有序微透镜阵列

利用水珠为模板制备了聚苯乙烯有序多孔膜.在溶剂挥发的制冷作用下,水珠能够在冷的高分子溶液表面凝结形成有序的阵列,溶剂蒸发完毕后,高分子材料按照水珠排列形貌空隙形成有序多孔膜,一种两性共聚物被加入到溶液中稳定水珠而获得有序的多孔结构. 将聚乙烯醇水溶液填充入多孔膜中,蒸干后用氯仿洗去聚苯乙烯,得到聚乙烯醇的整球微透镜阵列. 聚苯乙烯有序针垫阵列是由有序多孔膜撕掉上层制备的,这种针垫结构内部具有半球结构的空间,并以此为模板制备了聚乙烯醇半球微透镜阵列. 2种微透镜阵列均具有微观显影功能. 通过2种微透镜的显像对比证实,半球微透镜阵列比整球微透镜阵列具有更为清晰的多重显像效果.     

金纳米箭的可控生长及其复杂超晶体的自组装

正将胶体纳米晶组装为复杂有序的超结构不仅是自下而上制备具有独特结构和性能的新材料或功能器件的重要策略之一,而且有助于人们对于原子晶体、胶体晶体以及生物自组装体系的深入探究和了解1,2。在构筑有序超结构的过程中,纳米粒子的几何形貌发挥着极为重要的作用。相对于球形纳米粒子形成的简单组装结构,非球形的