聚合物接枝无机纳米粒子在受限条件下的自组装

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无机纳米粒子由于具有独特的物化性质,由其构成的纳米复合材料在光电材料、微电子器件、生物传感、分子识别等多个领域有着重要的潜在应用价值。纳米复合材料的性能与应用不仅取决于无机纳米粒子与基体材料本身的化学组成、尺寸大小、表观形貌等参数,更依赖于纳米粒子在材料中的空间排列方式、规整度、取向性等参数。因此,纳米粒子的可控分级组装在纳米科技及复合材料应用领域有着极为重要的意义,是目前有序结构纳米复合材料研究领域中的重要研究方向。本论文以聚合物接枝无机纳米粒子为主要研究对象,利用聚合物诱导自组装技术、外场调控技术等方法,探讨了聚合物接枝无机纳米粒子在不同受限条件下(如纳米孔道、两相界面等)的组装行为及组装机理,论证了相关实验参数对纳米粒子空间排列方式的作用与影响,阐明了聚合物配体在组装过程中的作用以及有序组装体的形成机理,构筑了多种具有特殊精细结构的无机纳米粒子组装体,为有序结构纳米复合材料的设计与制备提供了实验与理论依据。1)研究了外加电场诱导下聚合物接枝金纳米棒在纳米孔道内的组装行为。在外电场诱导和受限效应的协同作用下,金纳米棒自组装形成了一系列具有特殊精细结构的一维有序组装体。通过转换外加电场方向、控制纳米孔道尺寸以及调节聚合物配体分子量,实现了对金纳米棒一维组装体堆积方式的调控以及内部金纳米棒取向的转变。阐明了受限效应强度对金纳米棒组装行为及组装体堆积方式的决定性影响,明确了外加电场对各向异性无机纳米粒子的取向诱导作用机制。2)探讨了聚合物接枝金纳米粒子在油/水界面处的组装行为,并通过油/水界面组装法,成功地制备了大面积、自支撑、非紧密堆积的聚合物/无机纳米粒子二维单层膜。系统地研究了纳米粒子溶液的浓度与系统吉布斯自由能变化的关系,阐明了聚合物接枝无机纳米粒子的类表面活性剂作用,并研究了溶液的浓度变化对二维单层膜形貌的影响;探讨了聚合物配体分子量对无机纳米粒子二维单层膜的粒间距以及光学性质的调控规律,并探索了二维单层膜在Janus纳米粒子的制备和表面增强拉曼散射光谱(SERS)检测方面的应用。3)研究了聚合物接枝无机纳米粒子在超分子“软模板”受限空间内的自组装行为,阐明了超分子“软模板”作用对组装过程的影响规律,并利用超分子“软模板”作用来诱导不同形状的无机纳米粒子进行自组装,构筑了大面积、自支撑的二维、三维超晶格结构;探讨了聚合物配体分子量、纳米粒子体积分数等实验参数对超晶格的结构参数、机械性质和光学性质的影响。此外,系统研究了聚合物配体体系的二元超晶格组装,证实了该体系二元超晶格结构的组装行为和堆积方式,与两种纳米粒子的表面聚合物配体链长有密切联系,具有明显的聚合物链长依赖性。本论文系统地研究了聚合物接枝无机纳米粒子在不同受限条件下的组装行为,并构筑了多种具有特殊精细结构的无机纳米粒子组装体,为进一步探索与理解聚合物接枝无机纳米粒子的自组装行为与机理提供了新的思路,为有序结构纳米复合材料的制备提供了新的方法,也为有序结构纳米复合材料在光电材料、微电子器件、生物传感、分子识别等多个领域中的应用提供了一定的实验与理论支持。
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