结构型磁-光高分子的分子设计、合成及其在碳纳米管上的负载

磁-光双功能高分子在生物、医药、军事等诸多高新技术领域具有广阔的应用前景，然而目前基于纯高分子结构的磁-光双功能高分子研究却近乎空白。就此现状，本项目拟通过精巧的分子设计，利用廉价易得的化学原料，在单一高分子链上集合磁、光信号响应结构单元，制取自身兼具磁性、荧光性能的双功能高分子，即结构型磁-光高分子。该双功能高分子随后将被负载到碳纳米管上，以利用协同效应和"合金化效应"实现负载产物相对于双功能高分子自身的性能增强与扩展。在项目实施过程中，一方面研究合成方法、合成参数对目标高分子结构与性能的影响，揭示规律，以完善双功能高分子的分子设计及其负载工艺；另一方面深入探索协同效应和"合金化效应"机理，开辟构筑多功能纳米材料的新途径。这种在分子层级对功能高分子和碳纳米管进行的交叉研究，不仅有望为新型多功能纳米材料家族增添新成员，而且可进一步丰富材料学科基础研究的内容。

磁-光双功能高分子在生物、医药、军事等诸多高新技术领域具有广阔的应用前景，然而目前基于纯高分子结构的磁-光双功能高分子研究却近乎空白。就此现状，本项目在自身兼具磁性、荧光性能的双功能高分子（即结构型磁-光高分子，SMFP）方面开展了研究工作。随后将所得的SMFP进一步负载到SWNT上，以追求负载产物相较于SMFP的性能增强与功能扩展。. SMFP经由高分子与金属离子的络合来进行构筑。SMFP-1：以N-乙烯基咪唑（VI）与含芘丙烯酸酯单体的共聚物为高分子配体、Fe3+为金属离子。所得产物实现了磁、光双功能性（蓝色荧光—荧光量子产率φ=0.13；超顺磁性—磁化率χ=16.1×10-6emu/g），其中荧光响应能力由芘基团提供而磁响应能力则由咪唑环与Fe3+形成的络合物提供。当在共聚物结构中引入第三单体（单甲基丙烯酸聚乙二醇酯，PEGMA）并经由酯化反应将SMFP-1负载到SWNT上后，负载产物实现了磁性能的协同增强（χ值提高37%）。然而遗憾的是，由于芘基团与Fe3+/SWNT间的强烈能量/电子转移，负载产物的荧光性能显著减弱—荧光强度仅为SMFP-1的17%，即发生了荧光淬灭现象。为此，本项目开展了SMFP-2的研究工作—以VI与PEGMA的共聚物为高分子配体、Dy3+为金属离子。研究结果揭示，所得产物（大小约为30nm的自组装纳米粒子）实现了从紫外直至近红外光区的荧光发射性能并表现出了超顺磁性（χ值可达60×10-6emu/g）。当经由酯化反应将其进一步负载到SWNT上后，负载产物不仅实现了磁性能的协同增强（χ值提高45%），而且实现了荧光发射强度与SMFP-2相比基本保持不变。由此本项目制定的研究目标得以基本实现。此外，本项目还外延探索了VI基聚合物及其衍生物在碳纳米材料领域的些许应用。例如，以VI基聚合物为分散（物理改性）助剂，实现了SWNT在介质水中的均匀稳定分散，分散浓度可达150mg/L；以VI基聚合物为分散稳定剂，实现了以水为介质通过液相剥离石墨制备石墨烯，石墨烯浓度可达1.12mg/mL。. 总结而言，通过提出“结构型磁-光高分子”概念，并经由精巧的分子设计、利用廉价易得的化学原料实现SMFP合成制备及其在SWNT上的负载，本项目的研究工作不仅为新型多功能高分子材料家族增添了新成员，而且进一步丰富了材料学科基础研究的内容。