纳米粒子的精准组装
发布时间：2021-10-14 15:37
纳米材料由于其独特的光、电、磁、力学等性质,成为了构建功能材料与器件的理想基元。实现纳米粒子的精确组装,是探究粒子之间的耦合聚集性质和制备宏观功能器件的基础。但是由于纳米粒子的小尺寸以及在溶液中运动的随机性与复杂性,精准控制纳米粒子组装体的形貌以及在空间中的相对位置仍存在巨大挑战。为了将纳米粒子组装成理想的有序结构,许多控制粒子组装的策略与方法得到发展。本文首先概述了纳米粒子自组装的控制方法与典型形貌,着重分析了影响粒子精准排布的因素与控制方法,并对纳米粒子及其组装体的光学性质与器件应用的最新研究进展进行了讨论,最后对目前纳米粒子精准组装所面临的挑战以及未来发展的方向进行了展望。
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：19 页
【部分图文】：
DNA分子模板诱导用于纳米粒子的程序化自组装
而在纳米粒子的组装中，粒子形貌的差异对组装过程中粒子之间的取向与排布方式影响巨大。针对不同纳米粒子的结构，其所适用的组装调控方式与方法也有所区别。球形纳米颗粒是一种常见的纳米粒子形态。由于粒子的各向同性，粒子能够以四方(ccp)或立方(hcp)晶型紧密堆积，组装结构从维度上可以分为点(零维)、线(一维)、面(二维)、体(三维)等组装形式64。而纳米粒子的精准自组装则更强调对粒子自组装方式的可设计性调控以及对有限的粒子数目从几十纳米到几个纳米的精准控制，侧重对组装体系中的纳米粒子数目、粒子间距以及粒子之间排布方式的精准可控性。如精准控制纳米粒子聚集体的形貌，如构成组装体的纳米粒子个数(图1b) 65以及粒子之间的纳米间隔66，并且对不同粒径大小的粒子聚集体进行取向性调控(图1c) 67。在自由体系中，一维自组装结构本身是热力学不稳定状态68,69，单颗粒精度的一维纳米粒子自组装至今仍是一个难题70,71。董安钢等利用分子团簇对粒子组装的方向进行诱导，实现了上千个粒径15 nm大小的纳米晶在一维方向的单颗粒精准排布，为探究电荷与能量的单向传输提供了可能(图1d) 72。另外通过控制液滴蒸发过程中的动力学过程，利用纳米粒子与液面间的毛细作用力以及界面作用，可以获得单层二维纳米超晶格的制备(图1e) 73,Jaeger等还通过向金纳米粒子悬浮液中加入表面活性剂十二硫醇，使金纳米粒子被束缚在液滴的表面，形成仅有一个粒子厚的纳米薄膜74。与各向同性的纳米粒子相比,各向异性的纳米粒子，由于在纳米尺度上结构与形貌的不对称性75,76，会诱导产生一些超越球形纳米粒子的性质24,77,78，比如更高的热点效应，增强的热电性能与发光效率的提升等12,75,79–82。将各向异性的纳米粒子组装为具有特定形貌的聚集结构，可对组装体粒子之间的协同效应进行调控16,20,83。对于各向异性的贵金属纳米粒子来说，粒子之间的精准取向与排布对探究其表面等离激元耦合、表面激发态电子耦合、磁性耦合等性质意义重大18,19,48,84–86。由于形状的不对称性，各向异性纳米材料的自组装结构则更加丰富64，但是由于纳米材料自身存在的空间位阻，给各向异性纳米粒子自组装形貌的精准调控带来了更大的挑战87–89。
Mulvaney等还将各向异性的金纳米棒粒子利用电泳的方法，精确组装在了PMMA的凹槽结构中。由于金纳米棒在横向与纵向各向异性的特征，所激发的等离激元模式会随偏振光角度的改变而变化，其散射光谱强度会随偏振光的角度的改变而发生明显的迁移。因此通过模板限域对金纳米棒的排列方式进行精准调控，可以实现其在不同偏振光作用下的特异性显示(图11a,c) 202。除了对各向异性纳米粒子等离激元激发模式的调控，各向同性的纳米粒子等离激元的性质也可以实现调控并加以利用。利用层层组装的方法(layer by layer)，各向同性的金纳米粒子可以被精确组装为不同厚度的二维薄膜结构(图11d)。金纳米薄膜在层内与层间展现出了完全不同的近场耦合模式。通过对组装层数的精准控制，纳米薄膜的等离激元模式得到了调控，其颜色展现出了的明显的层数依赖性(图11e) 203。图1 1 纳米粒子精准组装的等离激元激发模式与显示应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米粒子与细胞相互作用的力学-化学偶联研究进展[J]. 展金秀,冯峰,许敏,姚立,葛茂发. 物理化学学报. 2020(01)
[2]石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长[J]. 唐智勇. 物理化学学报. 2019(06)
[3]非晶态ZnO纳米笼的显著表面增强拉曼散射效应[J]. 唐智勇. 物理化学学报. 2018(02)
本文编号：3436437
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：19 页
【部分图文】：
DNA分子模板诱导用于纳米粒子的程序化自组装
而在纳米粒子的组装中，粒子形貌的差异对组装过程中粒子之间的取向与排布方式影响巨大。针对不同纳米粒子的结构，其所适用的组装调控方式与方法也有所区别。球形纳米颗粒是一种常见的纳米粒子形态。由于粒子的各向同性，粒子能够以四方(ccp)或立方(hcp)晶型紧密堆积，组装结构从维度上可以分为点(零维)、线(一维)、面(二维)、体(三维)等组装形式64。而纳米粒子的精准自组装则更强调对粒子自组装方式的可设计性调控以及对有限的粒子数目从几十纳米到几个纳米的精准控制，侧重对组装体系中的纳米粒子数目、粒子间距以及粒子之间排布方式的精准可控性。如精准控制纳米粒子聚集体的形貌，如构成组装体的纳米粒子个数(图1b) 65以及粒子之间的纳米间隔66，并且对不同粒径大小的粒子聚集体进行取向性调控(图1c) 67。在自由体系中，一维自组装结构本身是热力学不稳定状态68,69，单颗粒精度的一维纳米粒子自组装至今仍是一个难题70,71。董安钢等利用分子团簇对粒子组装的方向进行诱导，实现了上千个粒径15 nm大小的纳米晶在一维方向的单颗粒精准排布，为探究电荷与能量的单向传输提供了可能(图1d) 72。另外通过控制液滴蒸发过程中的动力学过程，利用纳米粒子与液面间的毛细作用力以及界面作用，可以获得单层二维纳米超晶格的制备(图1e) 73,Jaeger等还通过向金纳米粒子悬浮液中加入表面活性剂十二硫醇，使金纳米粒子被束缚在液滴的表面，形成仅有一个粒子厚的纳米薄膜74。与各向同性的纳米粒子相比,各向异性的纳米粒子，由于在纳米尺度上结构与形貌的不对称性75,76，会诱导产生一些超越球形纳米粒子的性质24,77,78，比如更高的热点效应，增强的热电性能与发光效率的提升等12,75,79–82。将各向异性的纳米粒子组装为具有特定形貌的聚集结构，可对组装体粒子之间的协同效应进行调控16,20,83。对于各向异性的贵金属纳米粒子来说，粒子之间的精准取向与排布对探究其表面等离激元耦合、表面激发态电子耦合、磁性耦合等性质意义重大18,19,48,84–86。由于形状的不对称性，各向异性纳米材料的自组装结构则更加丰富64，但是由于纳米材料自身存在的空间位阻，给各向异性纳米粒子自组装形貌的精准调控带来了更大的挑战87–89。
Mulvaney等还将各向异性的金纳米棒粒子利用电泳的方法，精确组装在了PMMA的凹槽结构中。由于金纳米棒在横向与纵向各向异性的特征，所激发的等离激元模式会随偏振光角度的改变而变化，其散射光谱强度会随偏振光的角度的改变而发生明显的迁移。因此通过模板限域对金纳米棒的排列方式进行精准调控，可以实现其在不同偏振光作用下的特异性显示(图11a,c) 202。除了对各向异性纳米粒子等离激元激发模式的调控，各向同性的纳米粒子等离激元的性质也可以实现调控并加以利用。利用层层组装的方法(layer by layer)，各向同性的金纳米粒子可以被精确组装为不同厚度的二维薄膜结构(图11d)。金纳米薄膜在层内与层间展现出了完全不同的近场耦合模式。通过对组装层数的精准控制，纳米薄膜的等离激元模式得到了调控，其颜色展现出了的明显的层数依赖性(图11e) 203。图1 1 纳米粒子精准组装的等离激元激发模式与显示应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米粒子与细胞相互作用的力学-化学偶联研究进展[J]. 展金秀,冯峰,许敏,姚立,葛茂发. 物理化学学报. 2020(01)
[2]石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长[J]. 唐智勇. 物理化学学报. 2019(06)
[3]非晶态ZnO纳米笼的显著表面增强拉曼散射效应[J]. 唐智勇. 物理化学学报. 2018(02)
本文编号：3436437
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