聚合物多层微纳结构的构筑及其功能化

发布时间：2018-01-02 00:35

本文关键词：聚合物多层微纳结构的构筑及其功能化　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：聚合物微纳结构及其功能化是化学、材料科学及纳米技术等多学科交叉的研究领域。由合成化学家、微加工材料科学家、物理和生物学家共同从事的跨学科的方法对于构造新的聚合物微纳结构起了很大的作用。聚合物微纳结构的构筑正朝着更加复杂和精确的化学组成和形貌控制的方向发展。目前聚合物图案化表面的构筑方法包括喷墨打印技术,光刻技术,纳米压印和嵌段共聚物刻蚀等。但是具有化学功能空间分布的复杂三维结构的构建仍然是一个挑战。本论文中,我们将胶体晶体刻蚀技术与聚合物多层结构结合构建了三维的周期性的聚合物多层微纳结构并将其与纳米粒子复合实现了微纳结构的功能化。在第二章中,我们通过胶体刻蚀和光刻的方法构建了聚电解质层层组装膜的纳米棒、纳米深孔和微米条带的结构(对LBL膜的损坏),并对其自修复能力进行了研究。通过上述方法可以有效的控制裂痕的大小,然后将带有裂痕的结构浸在水中,聚合物链段能够运动到受损部位并通过静电相互作用重新结合从而实现裂痕的自修复。我们从损坏/修复次数和损坏程度两个方面对层层组装膜的修复能力进行了研究。我们发现层层组装膜在同一样品的不同位置和同一样品的同一位置上均可以实现多次的损坏/自修复过程,其自修复能力与损坏次数及损坏程度有关。随着损坏(图案化)次数的增加以及损坏程度的加大,层层组装膜损失的越多,其自修复能力也会减弱,且修复后膜层的厚度也会相应的变薄。当损坏次数和损坏程度达到一定程度时,层层组装多层膜损失的太多,剩余的链段已经不能完全填补损伤区域,此时膜层不能再被修复。在第三章中,我们利用胶体刻蚀、选择性离子交换和原位还原的方法容易的构建了银纳米粒子/聚合物复合的多段节条形码纳米棒结构。通过交替旋涂聚苯乙烯(PS)和聚丙烯酸(PAA)溶液得到聚合物多层膜,以胶体晶体为掩板结合等离子刻蚀技术构筑了多段节的聚合物纳米棒阵列结构。然后通过离子交换、原位还原的方法将银纳米粒子选择性的引入到聚合物纳米棒中。银纳米粒子掺杂的纳米棒可以从基底上剥离下来形成分散的悬浊液用于编码设计。通过增加聚合物的段节数,我们可以得到三段节、五段节、七段节甚至更多段节的聚合物纳米棒结构。另外,改变纳米棒中聚丙烯酸段节的长度,我们可以得到多种长度比例的条形码纳米棒,且不同长度的聚丙烯酸段节的顺序也是可以调控的,这大大增加了编码容量。重要的是,通过引入另外一种不能与银纳米粒子进行交换的聚合物来改变聚丙烯酸层的组成可以实现单一纳米棒中不同段节银纳米粒子密度的调节,这使得编码能力得到改善,且不同聚合物比例所形成的条形码纳米棒都有其独特的光学谱图,这使其在产品追踪和生物检测方面有潜在的应用价值。我们证明了形成具有可控编码能力的条形码纳米棒的通用方法。由于这个方法构建简单、花费低廉,我们认为通过引入其它功能化纳米粒子进入聚合物纳米棒中,可以获得多功能的编码材料。在第四章中,我们利用胶体刻蚀和聚合物辅助纳米粒子自组装相结合的方法构建了贵金属的纳米环和纳米环阵列结构。首先,利用胶体刻蚀的方法得到多段节的聚合物纳米柱阵列结构,然后将聚合物纳米柱季铵化使得聚四乙烯基吡啶(p4vp)段节表面带正电,将其浸在带负电的金纳米粒子溶液中,在静电力的驱动下实现金纳米粒子在聚合物纳米柱上的自组装。将自组装的金纳米粒子浸在金的生长液中可以获得金纳米环结构,并且纳米环的结构参数是可调的。改变旋涂的层数可以获得多段节的聚合物纳米柱,从而可以在同一聚合物纳米柱上制备出多个纳米粒子环的结构。我们也研究了金纳米环的光学性质,其在近红外区有一定的光学吸收。我们的这个方法有几个优点:第一,通过改变p4vp层的厚度和刻蚀时间我们能容易的调控金纳米环的高度和直径,同轴金纳米环上相邻环的间距可以通过改变ps间隔层的厚度进行调控。第二,我们第一次实现了同轴的两个、三个金纳米环结构的构筑,并且调整刻蚀工艺可以制备不同直径的同轴金纳米环。第三,这些结构可以从基底上释放到溶液中形成大量的自支持的单分散的金纳米环和纳米环阵列结构。我们认为我们的方法为多种金属纳米环结构的构建开辟了新的途径,并且制得的金属纳米环在等离子天线,等离子半导体,负折射率材料等方面都有着潜在的应用价值。
[Abstract]:In chapter 2 , the structure of polymer micro - nano - structure has been studied by means of colloid etching , selective ion exchange and in - situ reduction . The method has several advantages : firstly , by changing the thickness and the etching time of the p4vp layer , the height and the diameter of the gold nano ring can be controlled easily , the spacing between the adjacent rings on the coaxial gold nano ring can be regulated by changing the thickness of the ps spacer layer .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O631

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