聚合物媒介的无机纳米粒子可控组装

Assembled structures of inorganic nanoparticles (NPs), such as gold NPs, magnetic NPs, etc. may produce unique physical properties. Such structures have potential applications in many fields, including bio-imaging, sensor, photoelectric materials, catalysis, among others.Therefore,exploration of new approaches for the ordered organization of inorganic NPs has been one of the currently active research topics. Polymer-mediate assembly of inorganic NPs has been one of the most important approaches in the recent years, since it allows the ordered organization of the NPs in various dimensions and the fabrication of the nanoparticle aggregates of controllable morphologies and different functions. The present project involves two studies. One is to achieve controlled assembly of gold nanorods in various dimensions using block copolymer aggregates as templates. We attempt to prepare block copolymer-gold nanorod hybrid aggregates of tunable morphologies by changing self-assembly conditions, and study some of the physical properties of the obtained assemblies including optoelectronic properties, among others. The other study is to realize polymer-mediated simultaneous controlled assembly, in various dimensions, of two different types of inorganic NPs, such as gold and magnetic Fe2O3 NPs. By adjusting self-assembly parameters, we attempt to obtain multifunctional hybrid aggregates of controllable morphologies, which contain dual types of NPs. Some of the physical properties of the resultant aggregates, including optoelectronic and magnetic properties, etc., will be studied.

无机纳米粒子，如金纳米粒子，磁性纳米粒子等的组装结构可以产生一些独特的物理性能。这些组装结构在生物标记、传感器、光电材料、催化等领域具有潜在应用。因此，通过不同的方法将无机纳米粒子有序地组织在一起并实现其独特的性能成为当前的研究热点之一。聚合物媒介的纳米粒子组装可实现纳米粒子不同维度的有序组装，从而获得形貌可控且具有不同物理性能的纳米粒子组装体，因此成为近年来纳米粒子可控组装的重要方法之一。本项目主要包含两项研究内容：（1）以嵌段共聚物组装体为模板实现金纳米棒不同维度的可控组装。通过改变自组装条件，制备不同维度和形貌的嵌段共聚物-金纳米棒杂化组装体，并研究组装体的光电等物理性能；（2）以聚合物为媒介，实现两种不同类型的纳米粒子，如金和磁性氧化铁纳米粒子不同维度的同步可控组装。通过改变自组装条件，制备不同维度和形貌的含两种纳米粒子的多功能杂化组装体，并研究组装体的光电、磁性等物理性能。

本项目研究目标包括：（1）实现嵌段共聚物修饰的金纳米棒不同维度可控组装；获得金纳米棒组装体的光电等物理性能。（2）开发将两种不同类型纳米粒子同步定位到聚合物组装体不同区域的技术，制备含两种无机纳米粒子聚合物组装体，获得其光电等物理性能并探索其潜在应用。针对这些目标，本项目的研究成果主要包括：（1）实现嵌段共聚物修饰金纳米粒子（包括纳米棒和纳米球）的可控自组装，获得其光物理性能。该研究为金纳米粒子的可控自组装提供了新的途径；为金纳米粒子组装体的光物理性能研究和开拓组装体在光热治疗、药物可控释放等领域的应用创造了新契机。（2）通过聚合物囊泡融合，制备了含两种无机纳米粒子，例如量子点（CdSe）和磁性纳米粒子（Fe3O4），的Janus量子点囊泡，获得其光学性能，并证明其在磁控显示技术领域的潜在应用。该研究实现了两种量子点在囊泡不同区域的精确定位，为制备Janus囊泡及其潜在应用开发提供了新思路。在实现本项目研究目标的基础上，附带的研究成果还包括：（1）以嵌段共聚物溶液自组装形成不同形貌的组装体（球形胶束，囊泡等）为模板，制备了不同形貌且孔结构/尺寸可控的多孔复合材料，建立了定量控制孔尺寸的方法。所得复合材料作为超级电容器、钠电池等能源设备的电极材料，显示出极好的电化学性能。（2）成功获得PEO修饰的结构精确可控的石墨烯纳米带，修饰后的纳米带在常用有机溶剂甚至水中具有极好的分散性， 为获得未知的纳米带溶液性能（例如紫外吸收，荧光等）提供了契机；通过简单挥发成膜法制备了纳米带场效应晶体管，发现其具有高的电子迁移率。这一开创性研究拓宽了石墨烯纳米带的研究范围，为开辟石墨烯纳米带在超分子自组装、生物技术等领域中新的研究方向迈出了关键性一步。（3）在石墨烯纳米带前体——聚苯边缘接枝PEO获得新型 “rod-coil”接枝共聚物，发现其在溶液中呈现温度响应多级自组装行为。不同温度下，该rod-coil接枝共聚物能分别自组装成一维超长螺旋线 和规则的两维片层结构。该研究为含刚性链段共聚物体系的相分离以及刚性链段在聚集体中的有序排列机制的研究提供了新的体系和方法，拓宽了接枝共聚物自组装的研究范围，也为聚合物两维自组装提供了新途径。.基于以上研究成果，我们已发表标注本项目资助的SCI论文14篇；申请中国专利2项；培养博士生5名，硕士生5名，本科生3名，其中已毕业硕士生1名，本科生2名。