基于树枝状大分子可控组装功能性聚合物胶体晶体及光学耦合效应的研究

In this project, we will use dendrimers to facilitate the colloidal particles with high uptaking inorganic nanoparticles to prepare functional polymer colloidal crystals displaying the coexistence or synergism of different physical properties including photonic bandgap, spontaneous radiation and surface plasmon. Monodispersed colloidal particles will be prepared with the use of dendrimers as macromonomer, followed by the incorporation of of inorganic nanoparticles such as semiconductor crystals or noble metal nanoparticles, to afford polymer colloidal crystals with integrated properties through the liquid-liquid self-assembly via microfluidic technique. With the aid of modern analytic techniques, scientific problems in the assembly process will be investigated, including nano-/micro-/macro-scale interactions, structure-property relationships, physical-chemical properties, etc. The effects of dendrimer structure on the loading efficiency of inorganic nanoparticles and the influence of the components or configurations on the performance of materials will be also discussed. Finally, we will explore the photonic coupling effect as well as the integrated optical properties of as-prepared products, and ultimately afford versatile colloidal crystal materials with high performance and practical applications,as well as dendrimer-derived nanocrystal microreactors. This research will bring a new insight into the development of Chinese advanced polymer photonic bandgap materials.

本项目以实现聚合物胶体晶体的光子带隙与自发辐射、表面等离激元的光学耦合为导向，从制备精准结构的树枝状大分子入手，利用其独有的多官能团特征对纳米粒子进行负载，并借助单分散聚合物胶体微球在微流体通道中的液-液界面自组装行为，掌握可控制备具有重要应用前景的功能性胶体晶体材料技术与方法。通过现代多种分析手段，探明纳米粒子与单分散胶体微球在组装胶体晶体过程中的纳-微-宏各层次间的内在联系、构效关系、物理和化学过程等基本科学问题。在此基础上，进一步考察树枝状大分子在聚合物胶体晶体内部对半导体纳米晶、贵金属纳米粒子的负载调控规律，发展与丰富聚合物胶体晶体光学集成与光子带隙耦合的相关理论，揭示组装基元的组成、构型与材料性能的内在联系，达到组装材料与材料设计统一。以期形成一种或几种可实用化的胶体晶体材料及树枝状高分子功能化微球在光子晶体基纳米晶反应器中的应用，为我国先进聚合物光子带隙材料的发展提供科学依据。

聚合物胶体晶体是一种由直径亚微米、尺寸单分散的胶体微球在一定条件下自组装形成的具有特殊光学性质的有序微结构高级材料。由于胶体微球与微球间的空气这两种不同介电常数（折射率）的介质在空间中按照一定的周期顺序形成有序结构，胶体晶体可以产生像电子半导体控制电子一样的特性，从而在一定范围内使某些频率的光被禁止而形成光的局域态达到对光子禁阻或者控制。因此，这些特殊光学衍射和光禁带性质为其在光子晶体、高密度存储器、光学传感器、以及太阳能电池等方面的应用带来了新的契机。本项目以实现聚合物胶体晶体的光子带隙与纳米粒子自发辐射、表面等离激元的光学耦合为导向，从制备精准结构的树枝状大分子入手，利用其独特的官能团特征对纳米粒子进行负载，并借助单分散聚合物胶体微球在微流体通道中的液液界面自组装行为，掌握可控制备具有重要应用前景的功能性胶体晶体材料技术与方法。在此基础上，进一步考察树枝状大分子在聚合物胶体晶体内部对半导体纳米晶、贵金属纳米粒子的负载调控规律，研究了半导体纳米晶在亚微米单分散微球表面可控负载过程键合机理以及跨尺寸效应，从而得到具有多重特殊光学效应的杂化荧光胶体微球。形成一种或几种可实用化的胶体晶体材料及树枝状高分子功能化微球在光子晶体基纳米晶反应器中的应用，通过喷墨打印、喷涂以及丝棒辊涂等技术手段，实现大面积、批量化制备宏量光子晶体器件。建立面向新型光电元件的胶体光子晶体的设计方法与制备工艺，揭示其宏观使用性能与微观结构之间的关系，为功能化胶体光子晶体材料的制备与应用提供一条可借鉴的实用化路径，为我国先进聚合物光子带隙材料的发展提供科学依据。