有规则胶体粒子团簇可控自组装的研究

Ordered colloidal clusters constitute an intermediate state of soft matter between individual colloidal particles and large-scale colloidal aggregates (or colloidal crystals). Such clusters are not only fundamentally interesting, but also technologically important. In this project, we propose to utilize a stepwise approach to obtain DNA conjugated Janus particles. By using DNA hybridization and changing particle sizes, colloidal clusters having ordered structures can be fabricated due to spatial hindrance. Colloidal clusters may be further purified by selective DNA-mediated interactions and preliminary studies on the optical properties of such-prepared colloidal clusters will be performed. By conducting this project, we are intended to establish a unique experimental model system on colloidal clusters for the investigation of their applications in complex fluids, drug delivery, advanced materials and so on.

由少量胶体粒子组成的有规则胶体粒子团簇(Ordered colloidal clusters)是介于单个胶体粒子与胶体粒子凝聚（或胶体粒子超晶格）之间的小规模胶体组装体，它在许多理论及应用领域有着重要的研究意义。本项目计划通过使用DNA分步修饰胶体粒子的方法，制备两半球结合不同性质单螺旋DNA的Janus胶体粒子；结合空间位阻效应与互补DNA的杂化作用，利用Janus粒子的特性以实现有规则胶体粒子团簇的可控自组装；利用DNA分子相互作用的选择识别性，实现有规则胶体粒子团簇的纯化，并对其光学性质进行初步研究。项目拟建立一套有特色的胶体粒子团簇新实验体系，为今后探索胶体团簇凝聚理论及其在复流体、药物输送与新材料制备等领域的应用打下基础。

胶体粒子的分散与自组装在许多领域具有重要的理论和应用价值。项目研究内容包括两个方面：1. 通过DNA实现胶体粒子的可控自组装并探索了胶体粒子团簇的光学性质；2. 纳米粒子在油相中的分散与润滑性能研究。其中后一部分是在项目执行期内，利用项目提供的经费支持进行的创新探索。研究首先利用末端巯基的单螺旋DNA修饰纳米金粒子，利用末端氨基的单螺旋DNA修饰表面带羧基的水溶性量子点，通过DNA碱基序列的设计以及互补DNA形成双螺旋结合的特性，合成了一系列表面包裹量子点的金纳米粒子团簇。在这类核壳纳米粒子团簇中，金纳米粒子与量子点之间的距离可以通过DNA的设计来进行精确调控，其距离尺度范围为15 nm - 50 nm，这是目前其他纳米粒子组装方法都无法做到的。项目系统的研究了在不同距离尺度下金纳米粒子对量子点光学性能的影响，结果表明，在所研究的尺度范围内，随着二者距离的增大，量子点的荧光性质由淬灭到增强，并在40nm的距离处表现出最强的增强效果。这种现象是由于金纳米粒子与量子点之间能量转移以及金纳米粒子表面等离子效应双重效果的综合结果。项目第二部分以纳米氧化锆及磷酸锆纳米片为典型零维及二维纳米粒子，研究了他们的合成以及在油相中的分散与润滑效果。研究表明，在合成氧化钇稳定的氧化锆过程中加入含有氨基的表面活性剂可以有效的制备颗粒较小尺寸分布均匀的纳米粒子，将这样制备的氧化锆纳米粒子添加到矿物油以及商品润滑油中，在小于0.5%的浓度下可以有效的降低润滑油的摩擦与抗磨效果。研究了二维层状无机纳米片磷酸锆表面与层间的改性以及油相剥离，利用胺类对其进行差层研究，利用硅烷偶联剂对磷酸锆进行表面改性，利用离子液体对差层的磷酸锆纳米片进行了剥离得到单层纳米片；系统的研究了改性层状纳米片在油相中的润滑抗磨效果，结果表明随着层间距离的增大，二维纳米片的润滑抗磨效果先提升随后迅速下降。这部分研究为制备高效纳米润滑抗磨材料打下基础。