各向异性导电磁光功能化一维Janus纳米结构及其阵列的设计、构筑与性质研究

One-dimensional peculiar nanostructured Janus nanofiber, nanobelt and array are designed and will possess excellent simultaneous electrically conductive anisotropy and magnetism-luminescence trifunctionality provided by rare earth luminous compounds, magnetic nanocrystals and conducting polymers. As a result, luminescence-electricity-magnetism trifunction can be simultaneously assembled into the Janus nanostructures and arrays. The novel academic idea will be realized by electrospinning. According to the structures of the designed Talor cones, we will construct the structure-, size- and morphology-controlled one-dimensional peculiar nanostructured Janus nanofiber, nanobelt and array with simultaneous luminescence-electricity-magnetism trifunctionality via designing and making the peculiar spinnerets and suitable reaction systems. The formation mechnisms of the Janus nanostructures and arrays will be expounded. The new fabrication methods of one-dimensional special Janus nanostructures and arrays will be established. By adjusting the amounts of the rare earth luminous compounds, magnetic nanocrystals and conducting polymers, the characteristics and intensity of luminescence-electricity-magnetism trifunction in the Janus nanostructures and arrays can be tuned, and luminescence-electricity-magnetism characteristics and their interaction mechnisms in the Janus nanostructures and arrays will be revealed. The high integration of peculiarly structured Janus nanofiber, nanobelt and array with simultaneous luminescence-electricity-magnetism trifunctionality will be realized in this proposal. This designing idea and preparative techniques will provide theoretical and technical supports for the new-typed nanomaterials with simultaneous luminescence-electricity-magnetism multifunction. The novel nanostructures will supply new fundamental nanomaterials for the development of future nanotechnology and relevant science and technology.

本项目设计出一维特殊结构Janus纳米纤维和纳米带及其阵列，利用稀土发光化合物、磁性纳米晶和导电高分子赋予其良好的各向异性导电磁光三功能，在此特殊一维Janus纳米结构及其阵列上集成光电磁三功能。采用静电纺丝技术实现这一新颖的设计思想。根据所设计的泰勒锥结构，通过设计并制作出独特的喷丝头和适合的反应体系，组装出结构、尺寸和形貌可控的同时具有光电磁三功能一维特殊结构Janus纳米纤维和纳米带及其阵列，阐明其形成机理，建立新的构筑技术；通过调节稀土发光化合物、磁性纳米晶和导电高分子的含量，实现Janus纳米结构及其阵列光电磁三功能特性的可调性，揭示其光电磁特性和相互作用影响机制。本项目将实现特殊结构Janus纳米纤维和纳米带及其阵列与光电磁三功能高度集成，这一设计思想和构筑技术对设计新型的集光电磁多功能于一身的特殊结构纳米材料提供理论与技术支持，为未来纳米技术及应用提供新的物质基础。

设计并组装了特殊结构[同轴针头]//[单轴针头]两股并行喷丝头，构建了纺丝装置，通过调控制备技术参数，利用并行电纺技术构筑了光电磁三功能[同轴纳米电缆]//[纳米纤维]结构Janus纳米纤维和[同轴纳米带]//[纳米带]结构Janus纳米带两种特殊新型的一维Janus纳米结构。利用这两种特殊的一维纳米结构，在微观上实现了三个独立功能区的划分，有效地避免了稀土发光物质、磁性物质和导电高分子的直接接触，实现了三者的有效分离，显著降低了三者之间的不利相互影响，从而获得了发光导电和磁性均良好的三功能一维纳米结构。分别利用一维特殊结构的Janus纳米纤维和Janus纳米带作为导电和构筑单元，构筑了各向异性导电二维阵列膜，其导电方向的电导比绝缘方向的电导高八个数量级，是国际上报道的纳米带阵列膜中两个垂直方向电导差值的最高值，阐明了各向异性导电机理，提出了提高各向异性导电的模型，同时还赋予了二维阵列膜荧光特性和磁性，实现了各向异性导电-荧光-磁性三功能与二维阵列膜的高度集成。通过调节稀土发光化合物的含量和种类以及磁性纳米晶和导电高分子的含量，可以调控一维特殊结构的Janus纳米结构及其阵列的光电磁三功能特性，揭示了新材料的光电磁特性和相互作用影响机制。阐明了特殊结构一维Janus纳米结构及其阵列的形成机理，建立了普适通用的构筑新技术。本项目还采用同轴电纺技术，创新性地不使用芯层纺丝液而是与空气直接相通，一步直接制备了空心纳米纤维，并赋予其可调的光电磁三功能特性，阐明了其形成机理，解决了用电纺技术制备空心纳米纤维步骤繁杂的难题。利用同轴电纺技术构筑了光电磁三功能同轴纳米带和光电磁光催化四功能同轴纳米纤维；并利用单轴电纺技术制备了光电磁光催化四功能双层纳米纤维膜，实现了光电磁光催化四功能与一维和二维纳米结构的高度集成。本项目的研究成果为设计和构筑新型多功能纳米结构提供了一定的理论与技术支持。