厘米级大尺寸三维胶体单晶的制备和机理研究

胶体晶体的三维有序结构，其重复周期在微米、亚微米量级，可见光能在其中发生布拉格衍射，可应用于光子晶体和多孔材料的制备等方面，因此对胶体晶体的研究成为近年来研究的热点。但目前由于胶体体系的复杂性，对带电胶体粒子结晶过程还没有比较完整的认识和机理，能够制备成功的仅仅是胶体晶体的多晶或者胶体单晶膜，尚未有制备出厘米级大尺寸三维胶体单晶的报道。本课题采用酸或碱扩散驱动下带电胶粒的三维自组装实验方案，从结晶热力学、扩散动力学和结晶动力学三方面研究胶体粒子的结晶机理，建立胶体粒子结晶模型，并以此为理论指导，制备厘米级大尺寸三维胶体单晶。本研究将会使人们对胶体粒子结晶过程的机理有更加清晰的认识，并对胶体晶体的实际应用有很大促进意义。

胶体晶体是由胶体颗粒形成的具有三维有序结构的一类物质，由于其潜在的应用价值，胶体晶体的制备近年来成为了研究热点。我们针对胶体晶体的制备及机理进行了深入研究。首先，在单分散胶体颗粒制备方面，我们制备出了不同性质的无机和有机粒子：单分散的二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等胶体微球（PDI<0.05），有些甚至达到高度单分散（PDI< 0.02）。为了满足不同自组装需求，还对二氧化硅微球表面进行了改性。其次，我们考察了多种胶体晶体的自组装方法，包括扩散法、漂浮法、离心法、浸渍提拉法和垂直沉积法等，对温度、浓度、分散介质性质、胶体微球种类、颗粒粒径、电解质浓度等因素对结晶的影响进行了细致的考察，研究结晶机理和结晶动力学，然后横向比较了各种自组装方法的优缺点。进一步对实验方法进行了改进创新，寻找制备大尺寸三维胶体晶体的新方法。这些研究都在一定程度上推进了三维有序结构大尺寸胶体晶体和光子晶体的制备，为今后大尺寸胶体晶体的研发和应用提供参考材料。