基于小分子自组装的层状有序凝胶体系的构筑及性能研究

发布时间：2020-04-07 00:04

【摘要】：通过非共价键相互作用而自发进行的小分子自组装对材料科学、生命科学、信息科学以及纳米科学等众多科学领域的发展都产生了重大的影响。本论文着重研究通过对分子结构进行设计来获得不同类型的小分子自组装体系并用于进一步的研究和应用。我们设计了一种具有特异组装行为的非离子型双亲分子十六烷基甘油马来酸脂(HGM),此分子在在50℃且处于临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration,CMC)以上时会自组装为平板型(lamellar)双分子膜结构,并与水形成层状结构。当温度降低到室温以下时,由于HGM双分子膜产生弯曲在体系内部引入缺陷,限制了水层的流动性,从而形成了具有层状结构的水凝胶。此水凝胶具有水层厚度可调、双分子膜取向单一等特点,可用于二维金膜材料生长的软模板,我们利用此模板制备了大面积的二维单晶金膜并对其进行了输运测试。结果显示,制备得到金膜表面光滑、均一,是完美的单晶结构,且由于其大面积显示出很好的柔性。对其光电性能的测试显示其具有很好的透光度和导电能力,在透明导电器件中有潜在的应用前景。在对HGM研究的基础上,我们设计了另一种非离子型表面活性剂十二烷基甘油衣康酸酯(DGI),DGI小分子在水中呈现出和HGM相似的自组装行为,通过在DGI层状水凝胶中引入可聚合单体并原位聚合,得到了具有良好机械性能的层状水凝胶,在此基础上探索了DGI层状结构水凝胶在电容器和传感器领域的应用。结果表明以DGI小分子为基础制备的水凝胶保持了良好的层状结构,以其为电解质制备的柔性可拉伸超电容器件具有良好的电容性质且适用于各种电极。以该水凝胶为基础构建的电容式柔性电子皮肤器件同样具有良好的性能表现,在外界刺激下,由于器件的形变直接导致电容信号的变化,并且由于其层状周期性发生变化呈现出相应的颜色改变,实现了刺激-响应的精确测量和可视化。在以上的研究过程中,我们发现采用水凝胶作为电解质可制备性能良好的柔性可拉伸超级电容器,但是其机械行为需要进行进一步的优化。我们在原来的器件结构基础上采用一种具有自愈性、超可拉伸的水凝胶作为电解质,并对其器件性能进行研究。该水凝胶可以拉伸到原来的50倍并且具有很好的循环回复性,以此水凝胶为电解质采用预拉伸的方式制备的可拉伸电容器在拉伸到原来的10倍情况下依然可以正常工作,并且由于随着拉伸电极与水凝胶电解质的接触面积变大,器件的储能行为也随之增强。整个电容器件具有良好的柔性,自愈性和循环稳定性,在新一代可穿戴柔性电子器件中有着良好的应用前景。
【图文】：

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链组成（图 1.2），同时兼具亲水性和疏水性两种作用，所以经常作为表面活性剂来物质的亲疏水性。随着胶体界面科学的发展，对两亲分子的研究越来越深入。具有各种拓扑结构的两以前的研究学者们创造出来[6]，常见的拓扑结构（图 1.2）：单链（single-chain）型double-chain）型、双头双亲（bola）型、双子（gemini）型、catanionic 型。材料的结构所决定，不同拓扑结构的两亲分子也决定了具有不一样的性质，Bola 型两亲分耐热性，嗜热菌膜的主要成分是双子型两亲分子[7]，它能够以很低的浓度聚集，所作为一种很好的载体分子来使用[8]。虽然两亲分子的分子式相同，分子量也相同，改变其拓扑结构，，也会导致该两亲分子应用方向和特性发生根本的变化。所以，可同的应用要求来设计不同结构的两亲分子。两亲分子因为其多样的拓扑结构，所以的应用价值。两亲分子除了是肥皂，洗面奶、洗衣粉等的主要成分外，还用于药物释纯化和油提取等方面。

拓扑结构图,两亲分子,两亲性,拓扑结构

由其结构所决定，不同拓扑结构的两亲分子也决定了具有不一样的性质，Bola 型两亲分子具有高耐热性，嗜热菌膜的主要成分是双子型两亲分子[7]，它能够以很低的浓度聚集，所以它可以作为一种很好的载体分子来使用[8]。虽然两亲分子的分子式相同，分子量也相同，但是如果改变其拓扑结构，也会导致该两亲分子应用方向和特性发生根本的变化。所以，可以根据不同的应用要求来设计不同结构的两亲分子。两亲分子因为其多样的拓扑结构，所以具有广阔的应用价值。两亲分子除了是肥皂，洗面奶、洗衣粉等的主要成分外，还用于药物释放，原料纯化和油提取等方面。图 1.1 肥皂主要成分及其自组装结构
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;O641.3

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