精妙控制纳米棒的超粒子组装体

由美国佛罗里达大学化学系教授Charles Cao领导的科研团队在一维棒状纳米材料组装方面取得新进展,他们所制备的这种新型的前沿材料被称之为超粒子,具有目前上世界最高的荧光偏振率,达到了0.89,已经明显地超过了单根荧光纳米棒的偏振率,相关文章发表在《科学》杂志上(Science, 2012, 338, 358)

在自组装复杂纳米材料领域里,因为一维组装单元的各向异性和周围微观环境的差异性,所以如何控制这些一维组装单位的相互作用一直是科学家们所面临的重大难点问题。而由Charles Cao领导的科研团队最近报道了一个突破性进展。他们用CdSe/Cd半导体纳米棒作为组装单元,通过调控表面配体相互作用,成千上万个纳米棒就会自动排布成为具有双圆顶的圆柱形超粒子及针状的超粒子,这属于超晶格范畴。

文章的第一作者王铁博士(现任中科院化学所研究员)向我们介绍,在超粒子构成过程中,之所以能形成不同结构的超粒子,主要由超粒子体系中表面自由能和内部自由能之间的相互作用决定。对单根纳米棒进行不同方式的修饰,体系中表面自由能和内部自由能所占据的主导作用不同,因此所形成的超粒子结构也会不同。当整体的表面自由能趋向于最大化时,此时体系趋近于热力学平衡,表面张力驱使自组装体系构成这种带有双圆顶的圆柱形超粒子;当内部自由能占主导时,纳米棒与纳米棒之间的相互作用更加明显,此时体系处于动力学平衡状态,所以纳米棒会自组形成一个均匀密集的六方结构,得到近似于单晶的的针状超粒子。这部分最新的研究结果发表在2013年的 JACS 上(J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 6022–6025)

   这种由多根纳米棒自组装成的超粒子不仅仅保持了单根纳米棒的性质,而且还具有更卓越的性质以及更广阔的应用前景,特别是对LED电脑、电视显示屏的发光元件展现了很好的实用性。针状超粒子被进一步被整齐排列在一个透明的聚合物基底上,构成了宏观可见的荧光显示膜,可以提高LED电脑、电视荧光屏幕的极化率至50%以上,是节能型三维LED电视显示元件的优良候选者。

作者采用的这种纳米棒自组装方法在精度控制上的绝妙之处,堪称一种绝技。不仅证实了科学家正学习和探索纳米棒之间的各向异性的相互作用关系;而且延伸了纳米晶体领域中超分子化学的原理以及论证了胶质体体系中热力学与动力学原理在吸引与排斥之间的平衡关系。最后,作者希望他们的工作可以启发新的自组装制备方法,从而构建具有其它各向异性的介观和宏观结构体系纳米材料,并展现其性能上特有的实用性。