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理化所通过液滴模板法一步制备各向异性粒子及各向异性光子晶体

理化所通过液滴模板法一步制备各向异性粒子及各向异性光子晶体

  各向异性光子晶体以其独特的周期结构在全带隙光子晶体制备、方向性催化、间可控反应等领域具有重要的应用而备受关注。与球形粒子组装不同,传统各向异性光子晶体制备需要先合成功能性的粒子,并借助特殊外场作用下实现其有序堆积及不对称结构的取向性排列。各向异性粒子的制备及有序组装是个富有挑战的研究课题,是限制各向异性光子晶体发展的瓶颈问题。

  为解决该问题,近日,中国科学院理化技术研究所仿生智能界面实验室将浸润性理念应用于传统的水滴模板方法,制备得到了系列新型的各向异性粒子及各向异性光子晶体。这是目前文献上首次通过调控基材的浸润性实现分子堆积形式从非晶到单晶调控的例子,对于调控粒子内功能分子的堆积形式具有重要的实验和理论参考价值。

  制备基本方法是:先将卟啉分子分散液滴涂到基材上,利用溶剂挥发引起水滴冷凝及功能分子在水滴表面聚集,实现了一系列不同形貌的各向异性粒子的制备。所涉及的粒子形状包括树枝状、蜂窝状、环状、帽形、烧瓶形等 J. Mater. Chem. C 2015, 3, 2445, 图1)。在这项工作中,所制备的各向异性粒子形状主要通过对水滴形状的调控实现。通过调控水滴形状还可以实现卟啉分子堆积形式的有效调控。实验发现,当在低粘基材组装时(图2 A-D),液滴三相接触线在蒸发过程中回缩,导致液滴铺展面积减小及蒸发过程延缓,卟啉分子呈现完美的单晶堆积形式。相反,当在高粘滞基材组装时(图2 E-H),由于液滴的三相接触线钉粘在基材,液滴的铺展面积会迅速减小,导致蒸发速率加快,卟啉分子呈现出无序堆积状态。这些堆积形式的变化对其紫外吸收及荧光发射性能产生了明显的影响。该研究工作发表在Adv. Mater. Interf. 2015, 2, 1400365

  在此基础上,研究人员通过控制两次水滴冷凝过程,实现了所制备各向异性粒子的进一步组合,得到了花瓣形的各向异性粒子(图3),而且这些花型粒子在水-空气界面进行了取向性排列,得到了大面积花型的各向异性光子晶体结构。这些复杂的光子晶体组装单元及有序排列方式展示了复合的光学性能,为具有更加复杂性能的光子晶体制备提供了重要的材料和理论基础。该研究结果发表在Chem. Commun. 2015, 51, 1367

  论文链接:1 2 3 

 

  1. 通过调控基材的蒸发温度实现液滴形状及最幸运飞艇终各向异性粒子形状从环、饼、瓮及烧瓶形状的可控制备。(J. Mater. Chem.C 2015, 3, 2445 

 

  2. 不同浸润基材对卟啉组装形式及堆积结构的影响。(A-D)当在低粘附基材组装,液滴的三相接触线在蒸发过程中不断回缩,导致液滴铺展面积不断减小。这不仅延缓了蒸发过程,而且回缩的三相接触线也为分子组装提供额外的组装力,卟啉分子呈现了完美的单晶形式;(E-H)当在高粘附基材组装时,由于液滴的三相接触线在溶剂蒸发过程中保持钉粘状态,导致液滴铺展面积保持不变,而液膜不断变薄。快的蒸发过程导致卟啉分子呈现无序堆积状态。(Adv. Mater. Interf. 2015, 2, 1400365 

 

  图3. 通过水滴模板法制备花型光子晶体的示意图。首先将功能分子溶液铺展在基材上,当溶剂蒸发引起水滴冷凝,功能分子会包覆在水滴表面,得到各向异性粒子。由于第二次水滴冷凝过程实现了所制备各向异性粒子的可控性团聚。所得团聚结构类似于花瓣形结构:其正面类似绽放的花朵,而其背面类似花蒂结构。(幸运飞艇Chem. Commun. 2015, 51, 1367