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南方科技大学何凤课题组在可控制备二维微纳米材料领域取得重要研究进展
2020-07-31  来源:高分子科技

  二维平面结构的微纳米材料由于其纳米尺寸效应、较大的比表面积和较好的平面结构,在生物医药、化学传感器、电子信息和智能材料等领域具有巨大的应用前景。二维微纳米材料的应用性能与其聚集态结构、形状和尺寸密切相关。因此,研究如何制备形状规则和尺寸可控的二维微纳米材料具有显著的理论和实际意义。目前,关于二维平面结构的微纳米材料的可控制备仍然面临较大困难。尤其是,制备尺寸和形貌可控的、结构和功能更加丰富的多层次、多级结构的二维平面结构的微纳米材料具有极大挑战。


  近日,南方科技大学何凤副教授研究团队以两亲性π共轭嵌段聚合物(聚己基噻吩-b-聚乙二醇单甲醚,P3HT-b-PEO)为研究对象,采用溶液自组装的方法制得了形貌规则、尺寸可控的具有矩形结构的二维微纳米材料。在异丙醇溶液中,通过加热溶解,再降温老化,P3HT-b-PEO自组装形成了具有矩形结构的二维微纳米材料。通过控制P3HT和PEO的链段长度,可以调控矩形二维微纳米材料的尺寸和长宽比,如图1和2所示。


图1. P3HT-b-PEO在异丙醇溶液中所形成的组装体的形貌(PEO保持不变,P3HT的链段长度依次增加)。


图2. P3HT-b-PEO在异丙醇溶液中所形成的组装体的形貌(P3HT保持不变,PEO的链段长度依次增加)。


  另外,通过控制聚合物的浓度,可以调控二维矩形微纳米材料的尺寸;当聚合物浓度超过一定值时,嵌段聚合物可以组装形成结构更加复杂的多层次的二维纳米材料,如图3所示。


图3. P3HT-b-PEO在不同浓度的异丙醇溶液中所形成的组装体的形貌(浓度依次增大)。


  通过对二维矩形纳米材料的形成过程及其微观结构进行深入研究,发现在异丙醇溶液中,嵌段聚合物P3HT-b-PEO首先自组装形成一维纳米纤维,之后一维纳米纤维再次自组装形成二维矩形纳米材料,如图4所示。该论文演示了二维矩形微纳米材料的形成过程,如图5所示。


图4. P3HT-b-PEO在异丙醇溶液中所形成的组装体的形貌(降温过程中)。


图5. 二维矩形微纳米材料的形成过程示意图。


  本项研究首次报道基于P3HT的嵌段聚合物制得形貌规则、尺寸可控的二维微纳米材料,并直接证实了所形成的二维矩形纳米材料是由嵌段聚合物经过多级组装而形成;对二维微纳米材料(特别是多层次结构的二维微纳米材料)的可控制备提供了新思路,在有机光电材料领域具有良好的应用前景。


  该论文发表于Macromolecules,题为“Rectangular Platelet Micelles with Controlled Aspect Ratio by Hierarchical Self-assembly of Poly(3-hexylthiophene)-b-Polyethylene Glycol”。南方科技大学博士后漆锐是论文第一作者,南方科技大学化学系何凤副教授为唯一通讯作者,南方科技大学为唯一通讯单位。此外,2018级南科大-哈工大联培直博生祝育林,南方科技大学格拉布斯研究院研究助理教授韩亮,南方科技大学化学系研究助理王美晶也对该论文有重要贡献。


  本项研究得到了国家自然科学基金、深圳基础研究计划、深圳市诺贝尔奖科学家实验室、广东省创新创业团队项目和南方科技大学分析测试中心的大力支持。


  此外,何凤课题组近年来还在Nature Communications, Small Methods, Macromolecules, Polymer Chemistry, CCS Chemistry 上发表了系列基于π共轭嵌段聚合物的一维、二维和多级自组装的相关工作。


  论文链接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c01092

  https://www.nature.com/articles/s41467-018-03195-y

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.201900470

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00071

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/py/c9py01625b#!divAbstract

  https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.020.202000297

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