不对称胶体粒子的溶液与界面组装行为研究

随着纳米科技的迅猛发展，人们愈来愈关注由单个纳米粒子组装而形成的纳米粒子有序组装体，因为这种纳米粒子的集合体由于存在单个纳米粒子之间的耦合作用而呈现出新奇的结构依赖性质并具有十分广阔的应用前景。作为一种高效且低成本的、"自下而上"形成纳米粒子有序组装体的方法，胶体粒子的自组装过程引起人们极大的研究兴趣，而不对称胶体粒子的组装行为逐渐开始成为人们关注的一个焦点。本项目拟深入而系统地研究不对称胶体粒子在溶液相中和界面处的组装行为。一方面利用超分子作用、空缺作用及其它弱相互作用来诱导不对称胶体粒子在溶液中的可控组装，另一方面利用溶剂挥发诱导法并结合二维有序图案化模板的辅助作用，在两相界面处实现不对称胶体粒子的大面积有序组装，构造出一系列具有新奇、复杂结构及特定功能的纳米粒子组装体，并揭示其在化学与生物传感等领域的应用潜力。初步获得有关不对称胶体粒子在溶液中和界面处的组装行为的一些规律性认识。

纳米粒子的集合体往往呈现出新奇的结构依赖性质并具有十分广阔的应用前景，而不对称胶体粒子的组装行为及其有序组装体或超结构的性能愈来愈受到人们的关注。本项目着重研究非球形纳米粒子基元的组装行为及其有序阵列结构的可控制备，并探索纳米碗、纳米棒、纳米片等多种不对称纳米基元的有序阵列结构在能源、传感等领域的潜在应用。主要取得了以下研究进展：(1) 利用基于自组装单层胶体晶体模板的气液界面胶体球刻蚀法，制备得到了多种新型功能性纳米碗阵列。利用该方法制备了基于ZnS纳米碗阵列的二维光子晶体传感器，可以实现对有机溶剂的可视化检测和对抗生物素蛋白分子的灵敏检测；制备了具有电阻开关和光解水双重功能的异质结构Ag2S-Ag纳米碗阵列；还设计并制备出了构造新颖的异质结构TiO2纳米棒@纳米碗阵列，显著增强的光捕获能力和有利于电荷分离的异质结使其呈现出优异的光电化学分解水性能。(2) 通过细致研究金纳米棒在溶液中和界面上的组装行为，实现了金纳米棒超晶体和链状聚集体的可控组装。发明了一种独具特色的体相溶液蒸发诱导组装法，将金纳米棒组装为新颖的超晶微米片阵列，并通过引入微图案基底进一步实现了超晶微米片的取向排列；通过引入环糊精与表面活性剂分子之间的超分子作用，实现了金纳米棒在水溶液中肩并肩、头对头的可控组装。(3) 实现了几类氧化物介晶纳米棒阵列的可控制备并探索了其在能源领域的应用。利用动力学调控的方法实现了SnO2介晶纳米棒阵列在任意惰性基底表面的可控生长，其中生长在钛片基底上的介晶纳米棒阵列作为锂离子电池负极时呈现出优异的高倍率充放电性能；利用水热生长和化学刻蚀相结合的方式得到了由介晶纳米棒束组成的内部空隙可调的α-Fe2O3纳米棒阵列，它表现出优异的高倍率性能和循环稳定性；通过动力学调控的策略，在钛片基底上生长得到了具有梯度变化折光指数的金红石型TiO2介晶纳米棒阵列，它呈现出优异的宽波段、宽角度减反射性能，同时具有显著的自清洁性能。(4) 基于前体转化合成策略实现了新型氧化物纳米片阵列的可控制备并探索了其在能源领域的应用。利用该方法首次获得直立于钛片基底上的钛酸锂纳米片阵列，它可直接用作无需粘合剂的锂离子电池负极，并呈现出优异的高倍率锂电性能和超长的循环寿命；还利用该方法制备了直立于FTO导电玻璃上的氧化铁纳米片阵列，它呈现出增强的光电化学分解水性能。