聚合物接枝金纳米粒子超晶格结构及其演化过程

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纳米粒子超晶格是指纳米粒子在范德华力、静电作用力、毛细力等相互作用下组装得到的周期性阵列结构,其性能不仅取决于纳米粒子各组分的性质,还取决于超晶格中纳米粒子的排列规整程度和空间排列方式。聚合物接枝金纳米粒子作为超晶格的组装基元之一,不同分子量的聚合物接枝于金纳米粒子表面不仅可以稳定粒子,还可以诱导其有序堆砌、调控粒子间距和空间结构,因此采用聚合物接枝金纳米粒子可有效调控超晶格的结构。然而,目前关于聚合物链长、接枝密度、金纳米粒子尺寸等对超晶格的结构演化过程及结构的影响规律尚不明确。针对该问题,本论文通过毛细管诱导组装法和气液界面组装法分别制备了聚合物接枝金纳米粒子超晶格,并采用原位小角X射线技术监测了不同受限条件下纳米粒子超晶格的演变过程,分别研究了聚合物配体结构及纳米粒子尺寸对超晶格结构演化过程及其结构的影响规律。具体如下:(1)毛细管诱导组装法制备聚苯乙烯接枝金纳米粒子(Au NPs@PS)超晶格结构:采用巯基封端均聚物PS接枝的金纳米粒子作为组装基元,通过Au NPs@PS甲苯分散液在毛细管中溶剂缓慢蒸发制备Au NPs@PS超晶格,并研究了聚合物链长和金纳米粒子尺寸对超晶格结构的影响规律;采用原位SAXS技术监测了毛细管中Au NPs@PS组装形成超晶格的结构演变过程。结果表明,在溶剂以0.133μL h-1的速率缓慢挥发过程中,分子量为22 kg/mol的PS接枝的金纳米粒子可以组装成单轴取向的面心立方(fcc)结构和体心四方(bct)结构,其他较短链(分子量分别为2kg/mol、5 kg/mol和12 kg/mol)PS接枝的金纳米粒子可以组装成fcc结构。此外,在溶剂挥发过程中也可观测到fcc向bct超晶格转变的过程,原位SAXS结果表明该转变是由于溶剂挥发过程中长链聚合物的溶剂溶胀和不均匀压缩所致,且配体长度和接枝密度对该转变过程具有显著影响。(2)气液界面组装法制备Au NPs@PS超晶格单层膜:采用巯基封端PS接枝的金纳米粒子作为组装基元,将Au NPs@PS甲苯分散液置于二乙二醇界面,随着分散液在空气/二乙二醇界面铺展和挥发,Au NPs@PS组装形成超晶格。采用原位SAXS技术监测了气液界面组装Au NPs@PS超晶格的结构演变过程,同时,研究了聚合物链长、甲苯蒸汽氛围和游离均聚物PS对超晶格结构的影响规律。结果表明,在溶剂氛围下可观测到长链聚合物接枝的纳米粒子从无规堆积向fcc再到二维六角堆积转变的过程,且该转变过程与配体长度密切相关。
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