纳米粒子自组装构筑二维、三维自支撑超晶格结构

无机纳米粒子由于尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应等表现出独特的热、磁、光等性质。将无机粒子进行组装而制备具有周期性的超晶格结构可使诸多性能协同和集成,使组装体表现出特殊的物理化学性质,从而使其在生物传感、光电材料、微电子器件和高密度存储等诸多领域有广阔的应用前景。关键问题在于发展新方法,控制材料的结构(晶体结构、晶格常数等)和集成性能。传统制备纳米粒子超晶格的方法包括溶剂挥发法、外场(电场和磁场)诱导法和生物分子 (如 DNA)配体定向组装法等。但这些传统方法还难以适用于具有特殊形状纳米粒子(棒状、六面体、八面体等)超晶格的制备。而纳米粒子的尺寸和形状决定了组装体性质及其性能,因此,如何使非球形纳米粒子有序堆积进而定向组装成自支撑超晶格仍然是目前该领域的一大挑战。

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最近,华中科技大学朱锦涛教授课题组与美国马里兰大学聂志鸿教授课题组合作发展了一种新方法,首次通过超分子聚合物诱导来构筑多维纳米粒子超晶格有序结构。利用聚4-乙烯基吡啶(P4VP)与小分子十五烷基苯酚(PDP)通过氢键形成的超分子,来诱导不同形状(尺寸)的金纳米粒子的受限自组装,得到具有超晶格结构的二维和三维杂化组装体。在此基础上,在选择性溶剂中解组装,破坏氢键即可得到自支撑的纳米粒子超晶格结构。超晶格结构的形成有赖于纳米粒子表面接枝聚苯乙烯(PS)与超分子二者间的不相容性引起的宏观相分离。而P4VP和PDP之间形成的梳状超分子结构不仅提供了特殊的受限空间,而且还降低了聚合物体系的玻璃化温度,增强了PS修饰纳米粒子的运动能力,促进了超晶格结构的形成。

该方法有很好的普适性,可用于不同形状(棒状、球状、六面体和八面体等)和尺寸的纳米粒子超晶格结构的制备。更重要的是,晶格结构、晶格常数、纳米粒子粒间距、组装体层数、材料机械性能等重要参数都可通过控制实验条件来进行调控。该溶液微加工的方法可与现有光电器件的制备方法匹配,适用于大面积器件的加工制备,为大面积自支撑超晶格结构制备提供了新平台,为其进一步在柔性光电器件、高密度存储和生物传感等领域的应用提供了新机遇。相关论文已在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502768)上。