非球形胶体在圆柱面上的自组装研究

Self-assembly of non-spherical colloidal systems, due to their rich self-assembled structures and associated functions, has unique advantages in fabricating new material such as smart material that can sense environmental changes, new band-gap material for light control, and energy-storage material for electric automobiles. It is a hot research topic in the field of colloid and interface chemistry. How non-spherical colloids self-assemble on curved surfaces is one of key questions, and it still remains largely unknown. In this proposal, we will use a cylindrical surface as an example, to try to illustrate how non-spherical colloids self-assemble on curved surfaces by studying the structures and dynamics of self-assembly. We will first use a colloidal system consisting of microscale disk-shaped platelets (i.e. disk) fabricated by photolithography as a model system, to develop new techniques for video particle tracking on curved surfaces. Self-assembled structures as well as the dynamics of self-assembling in the disk system, are then studied to reveal how the disks self-assemble and the relationship between self-assembled structures and system parameters such as disk size and the radius of cylindrical surface. We will further study the self-assembling of regular polygonal colloids using the same techniques as for the disk system, to understand the role of shape in self-assembly on curved surfaces. The proposed project will help us to understand the principles governing the self-assembly of non-spherical colloids on curved surfaces, and hence provide us a solid foundation for future development of new metamaterial fabrication techniques based on the self-assembly of non-spherical colloidal systems.

非球形胶体自组装因其可形成的结构丰富、功能多样，因而在可传感的智能材料、可控光传输的光带隙材料以及用于电动汽车的储能材料等领域有着独特的优势，是胶体与界面化学的一个研究热点。而非球形胶体在曲面上是如何自组装的就是其中一个仍然未被人们理解和掌握的关键问题。申请者以圆柱面为特例，尝试通过对自组装结构及动力学问题的研究，阐释颗粒形状及曲面曲率与自组装行为的关系，解析非球形胶体在曲面上的自组装规律。本项目将以用光刻技术制备的微米大小的圆盘形胶体为模型系统，开发完善曲面上的粒子显微追踪技术；揭示圆盘形胶体在圆柱面上的自组装结构及其动力学，阐明其自组装结构与颗粒大小、圆柱面尺寸的关系；进一步研究正多边形胶体在圆柱面上的自组装，探索颗粒形状在曲面自组装中所起的作用。该研究将推动人们对非球形胶体在曲面上自组装规律的认识和理解，为发展利用非球形胶体的自组装来制备超材料的技术提供理论依据和实验基础。

利用胶体系统通过引导自组装来合成制备新材料对解决人们对于新型功能性材料的需求具有重要意义。非球形胶体自组装因其可形成的结构丰富、功能多样，因而在可传感的智能材料、可控光传输的光带隙材料以及用于电动汽车的储能材料等领域有着独特的优势，是胶体与界面化学的一个研究热点。而非球形胶体在曲面上是如何自组装的就是其中一个仍然未被人们理解和掌握的关键问题。在本项目中，申请者以圆柱面为特例，尝试通过对自组装结构及动力学问题的研究，阐释颗粒形状及曲面曲率与自组装行为的关系，解析非球形胶体在曲面上的自组装规律。针对此研究目标，本项目利用光刻技术制备了微米大小的非球形胶体颗粒，包括正多边形，圆盘形，以及风筝形颗粒，开发完善了曲面上的粒子显微追踪技术；研究了不同胶体颗粒在圆柱面上的自组装结构及动力学。.研究结果发现圆盘形颗粒在圆柱面上的自组装与其在平面上的自组装相似，而三角形和正方形在圆柱面上的自组装显示出与平面上不同的自组装行为，揭示了颗粒形状对自组装行为的影响；通过研究正方形在不同曲率的圆柱面上的自组装，发现在曲率大的圆柱面上正方形由于取向受限而表现出不同于其在曲率小的圆柱面上的自组装行为，揭示了曲面曲率对于该自组装的影响；利用三角形在圆柱面上的自组装，得到了蜂窝状单晶结构，为人们制备类蜂窝状晶体结构提供了一种新方法；对于非正多边形的风筝形颗粒，其在圆柱面和平面上的自组装结构相似，都为无序结构。进一步研究发现风筝形玻璃态的低频振动模式具有平动上非局域而转动上局域的特点。另外，本项目也开展了计算机模拟工作，利用蒙特卡罗和分子动力学模拟方法对部分实验体系进行模拟，并与实验结果相互验证，进一步加深了对于非球形胶体自组装行为的理解。.该研究将推动人们对非球形胶体在曲面上自组装规律的认识，为发展利用非球形胶体的自组装来制备新材料的技术提供理论依据和实验基础。