新颖结构复杂补丁粒子的可控合成及应用探索

Controlled synthesis of colloidal patchy particles is one of the research frontiers in nanoscience and nanotechnology. However, the development of this area has been hindered by the key challenge to increase the morphology, structure and composition complexity of patchy particles. Herein, we propose a step-by-step functionalization strategy for controlled preparations of complex patchy particles based on non-spherical seeds, aiming to tackle the fundamental difficulty of existing methods based on highly symmetric spherical seeds in producing highly complex patchy particles. By extending the local-curvature-controlled growth strategy, which was developed in our previous study, to seeded emulsion polymerization processes, we attempt to achieve site-growth of polymer patches on non-spherical seeds. The further modification with different functional materials, followed by the selective removal of polymer patches or seed materials, will enable the formation of a series of patchy colloids with complex shapes, structures and compositions. Finally, attempts will also be made in exploring their applications in different areas. Our preliminary results revealed that the local-curvature-controlled growth strategy is effective in controlling the growth site of polymer patches on non-spherical seeds, and thus verified the feasibility of the proposed method. In this project, we will continue our efforts through a more in-depth and systematical study of the above-mentioned strategy. The breakthrough in the proposed research will pave the way for the applications of complex patchy particles in various fields.

补丁胶体粒子的可控合成是纳米科学与技术领域的重要研究前沿之一。然而，该领域依然面临着提高补丁胶体粒子形貌、结构与成分复杂度的关键科学问题。本申请提出基于非球形种子分步功能化策略可控制备复杂补丁粒子的创新研究思路，从根本上解决现有方法基于高度对称的球形种子不能制备高复杂度补丁粒子的难题。拟从非球形胶体种子出发，通过将申请人前期发展的表面曲率控制生长策略拓展至乳液聚合体系，实现在非球形种子表面位点选择性生长高分子补丁，并结合进一步表面功能化及选择性刻蚀手段，构筑一系列形貌、结构与成分高度复杂的补丁粒子,并探索其相关应用。前期探索性实验结果表明，采用表面曲率控制生长策略，能有效解决精确控制高分子补丁生长位点的关键难题，并初步实现了对补丁形貌、大小与覆盖度的调控，验证了该思路的可行性。本项目将对上述研究思路进一步深入扩展和系统化，此方面的研究突破将为复杂补丁粒子在多个领域的应用打下坚实的基础。

具有复杂结构的补丁胶体粒子是纳米领域的前沿性研究课题，在光子学、催化、药物运载、纳米马达等诸多领域具有广泛的应用前景。发展可控制备复杂补丁粒子的通用方法，进一步提高补丁粒子形貌、结构与成分的复杂度，依然是补丁粒子领域面临的核心科学问题。针对上述科学问题，本项目旨在发展复杂纳米结构的可控制备方法与策略，针对不同应用场景需求，构筑特异性的复杂纳米结构，解决纳米马达、纳米催化中的材料问题。本项目取得了突破性的进展，重点工作及成果如下：.1.在补丁纳米颗粒的合成，及纳米马达应用：我们发展了基于非球形种子分步功能化策略，可控制备了多种新型复杂补丁粒子。首先在非球形种子表面位点选择生长高分子补丁，然后在高分子补丁颗粒表面进一步功能化修饰，最后在补丁纳米粒子不同组分的选择性刻蚀，获得的不用结构的补丁粒子。我们还发展了一种共模板的生长方法，获得了结构独特的纳米颗粒，也对其在纳米马达等领域的应用进行了探索。.2.补丁纳米颗粒在催化材料构筑上：针对光热催化反应过程中催化剂对太阳光的有效利用率不足的问题，我们首次提出了“纳米温室效应”的概念，基于此展示了硅基核壳结构可通过纳米尺度热管理的方式增强催化剂光热转化效果，获得了创纪录的光热催化活性。我们发展了一种核壳结构策略，在包覆二氧化硅后极大地提升了催化剂的稳定性。在此工作的基础上，针对催化性能更好但较易烧结团聚的团簇催化剂，我们发展了三明治夹层包覆策略，有效地实现更小尺寸催化剂的长效稳定催化。我们考虑到包覆的材料可能会遮盖催化剂的活性位点和影响传质，我们首先提出金属纳米晶的半包覆策略，成功兼顾了催化剂在高温条件下的高催化活性和高稳定性。.3.补丁纳米颗粒在光子晶体材料构筑上：我们采用非球形纳米颗粒种子，包覆二氧化硅后获得组装基元，通过微流控的方式结合磁控组装与晶电子组装，获得了一系列具有新颖光学性质的光子晶体材料。.在本项目的资助下，发表具有较高学术价值的研究论文20篇，申请发明专利7项（其中已授权4项）。协助培养多名硕士、博士研究生，报告人有两名硕士研究生在读。