聚合物胶体晶体的构筑及其模板诱导组装

【摘要】：随着现代科学与技术的发展，胶体微粒一直是胶体科学、化学、材料科学 以及生物学等学科中重要的研究对象。胶体微粒与复合胶体微粒的表面和性质 以及自组织的研究已成为胶体微粒领域向纵深发展的重要推动力。经过科学工 作者的不懈努力，不同尺寸与表面性质以及复合性质的单分散胶体微粒体系的 研究已经有了出色的成就，而且这些微粒在药物缓释、生物识别和光电材料等 应用领域中的拓展也正在向纵深发展。基于单分散胶体微粒的自组织体系在构 筑有序结构（如胶体晶体，光子晶体）和作为构筑有序结构模板的研究越来越 受到人们的青睐和关注。另一方面，在微米和纳米尺度上表面微加工或图案化 正逐渐成为当代科学和技术的中心，而且图案化技术还为微观和介观范围内所 发生的物理、化学和生物现象的研究提供了契机。例如，化学和生物物质微分 析、生物芯片和微反应器等。而在众多有序结构的构筑技术当中，模板法是应 用最为广泛和最有效实用的技术，它们能构造出各式各样的有序结构和图案化 表面。推动了相关图案化技术研究的深入发展。表面结构构造技术的发展及其 有序图案化的应用还促进了物理、化学和生物学等学科的交叉与迅速发展。 第二章，我们基于无皂乳液聚合的方法成功地制备了表面富集功能基团的 交联聚合物微粒，同时对表面富集羧基和季胺盐基团的交联的聚苯乙烯微粒的 合成以及溶胀行为等性质进行了研究。此外，我们开拓了一种制备含金属离子 的复合聚合物微粒的方法，而且这些微粒还可以进一步用来制备纳米微粒聚合 物复合微粒。这些表面富集功能基团的交联聚合物微粒以及复合聚合物微粒的 制备，不仅为研究功能性微粒的制备和应用拓展了平台，而且为研究用聚合物 微粒制备自组织胶体晶体奠定了基础。 123 WP=131 中 英 文 摘 要 第三章中我们介绍了一种构筑胶体晶体简单而有效的方法，称之为双基片 垂直沉积法。我们结合垂直沉积和微隧道毛细管方法，在双基片中间得到稳定 的胶体晶片与具有纤维结构的胶体晶体。在通常情况下制备的胶体晶体对水或 其它分散介质以及对外界条件的稳定性相对较差。而本章中制备的这类胶体晶 体因双基片的限制保护作用而具有高的环境稳定性，这样不仅可以直接用作分 立的器件或进行胶体晶片的直接组合得到具有复合性质的器件，还可以在胶体 晶片内部空隙中引入其它功能性物质来调节胶体晶片的性质。利用双基片垂直 沉积中所用基片的形状和材料具有可调性的特点，我们可以通过不同的设计方 法得到不同结构的胶体晶片，特别是当用管状和纤维来作为基片时，就可获得 其它方法很难构造的具有纤维结构的胶体晶体。作为在多孔材料以及非对称胶 体晶体中重要的应用，由于胶体晶体的稳定性，我们可以对胶体晶片进行不同 的处理，比如通过在胶体晶体内部填充不同材料或用温度和压力来改变胶体晶 体中微球的形态等不同过程，我们就可以分别得到三维反相胶体晶体结构和非 球形胶体晶体。这些胶体晶体结构及其稳定性将为胶体晶片的应用与研究开拓 新思路和新技术。 第四章我们介绍了构筑二维纳米结构阵列和自组织单层图案化表面简单而 有效的方法，主要有胶体晶体辅助毛细纳米构造（CCACN）和胶体晶体辅助压印 （CCAIP）。这两种方法是利用胶体晶体作为一种辅助手段，结合毛细作用和压 印技术来构造自组织单层和二维纳米结构阵列的图案化表面。我们这里介绍的 CCACN 和 CCAIP 方法一方面确立了基于三维胶体晶体来构筑二维纳米阵列结构 和自组装单层膜表面图案化方法，另一方面 CCACN 和 CCAIP 构筑纳米图案化的 方法为三维胶体晶体在二维图案化表面的构筑开辟了新的应用。另外，由于构 筑三维胶体晶体所用的微球尺寸在较宽的范围内可调，因此得到的纳米图案的 周期和单元尺寸都具有可控性。相对其它微球模板构造二维图案化表面方法， CCACN 和 CCAIP 方法具有模板质量较高，稳定性好，操作简单方便等特点，同 时 CCAIP 方法可以在聚合物柔性基底上构筑无机材料（例如:金属）的图案化结 构表面。我们已经证明了 CCAIP 方法在构筑不同纳米有序结构和构造多层与多 124 WP=132 吉林大学博士学位论文 2004 级有序结构上的可行性和实用性。总之，我们确立了一种利用三维有序结构来 构造二维有序结构和形貌的方法，同时我们有理由相信基于双基片垂直沉积制 备的胶体晶体模板而构筑的二维纳米有序结构和形貌在现代科学新领域，如纳 米构造、纳米敏感器、微反应器、多级有序结构、复合塑性电子器件以及表面 科学等领域中将展现独特的角色和潜力。 总之，我们发展了聚合物微球的制备和自组织的方法，一方面它们拓宽了 胶体晶体的制备和应用，另一方面，胶体晶体模板法制备二维有序结构的新方 法为微球以及胶体晶体的发展和应用开拓了新思路。