一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸聚合物刷阵列的方法，属于材料科学技术领域。本发明专利技术结合金属纳米粒子与界面基团的吸附作用和等离子体刻蚀的方法，在硅基底表面制备出硅烷化的氨基阵列，随后在氨基阵列上进行表面引发原子转移自由基聚合，可以在大面积基底上制备出纳米尺度上的聚合物分子刷阵列。通过改变纳米粒子吸附时间，我们制备出了密度梯度分子刷阵列，通过改变金属纳米粒子生长时间，制备出了尺寸梯度的聚合物分子刷阵列。我们制备的纳米粒子点阵高度在2.5～13nm之间，尺寸在28～80nm之间。本发明专利技术步骤简单，操作简便，可重复性高，不涉及昂贵仪器，其卓越的普适性可以应用到各种聚合物的制备以及功能化后的应用。
【技术实现步骤摘要】
一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸聚合物刷阵列的方法
本专利技术属于材料科学
，具体涉及一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸密度可控、尺寸可调并且可以集成为密度梯度的聚合物分子刷阵列的方法。
技术介绍
使用表面引发可控原子转移自由基聚合技术来制备聚合物分子刷的方法，是一种非常有力的途径连接界面的化学和物理性质，并且在表面和界面工程中引起了巨大的关注。这种聚合物分子刷界面可以应用于很多新兴的研究领域，包括具有刺激相应的表面和胶体(WangX,QingG,JiangL,ChemicalCommunications,2009(19):2658-2660.),场效应晶体管和光伏器件(TriaMC,LiaoKS,JournalofMaterialsChemistry,2011,21(28):10261-10264.)，生物工程领域(FristrupCJ,JankovaK,HvilstedS.SoftMatter,2009,5(23):4623-4634.)。近年来，人们研究了很多方法来制备图案化聚合物分子刷阵列，包括胶体晶体辅助刻蚀法，光刻法，扫面探针法，微触印刷法以及电子束刻蚀法。图案化聚合物分子刷不仅可以用于研究分子刷的基本性质例如溶胀和摩擦性能，并且也有实际的应用价值，例如控制生物的黏附(TakahashiH,NakayamaM,Biomacromolecules,2011,12(5):1414-1418.)。在目前研究中，制备具有图案化聚合分子刷阵列，大部分都是制备尺寸在微米级以上的图案化阵列，制备亚微米级甚至纳米级别的分子刷阵列需要用到复杂的仪器以及高成本的方法。考虑到未来的应用前景，如果将等离子刻蚀和纳米尺寸的金属粒子引入到制备图案化聚合物刷的过程中，会极大简化制备过程以及降低制备成本。因此发展一种制备尺寸可控方法简单的纳米尺度聚合物刷的方法是非常有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单、高效、尺寸可控的利用金纳米粒子制备纳米尺寸梯度聚合物刷阵列的方法。本专利技术结合金属纳米粒子与界面基团的吸附作用和等离子体刻蚀的方法，在硅基底表面制备出硅烷化的氨基阵列，随后在氨基阵列上进行表面引发原子转移自由基聚合，可以在大面积基底上制备出纳米尺度上的聚合物分子刷阵列。通过改变纳米粒子吸附时间，我们制备出了密度梯度分子刷阵列，通过改变金属纳米粒子生长时间，制备出了尺寸梯度的聚合物分子刷阵列。本专利技术步骤简单，操作简便，可重复性高，不涉及昂贵仪器，其卓越的普适性可以应用到各种聚合物的制备以及功能化后的应用。本专利技术所属的一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸梯度聚合物刷阵列的方法，其步骤如下：1)硅基片的表面处理：将硅基片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗5～15min；将超声清洗后的硅基片置于酸性氧化处理液(质量分数为30％的过氧化氢和质量分数为98％的浓硫酸的混合溶液，两者体积比为3：7)中煮沸处理30～50min，最后将硅基片用去离子水清洗至无酸液残留，保存于无水乙醇中待用；2)不同尺寸的柠檬酸根包被的金纳米粒子合成：将140～160mL去离子水、5.3～6.1mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液混合后加热至沸腾，在微沸状态下加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应10～30min，得到金纳米种子水溶液；降温至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第一代金纳米粒子溶胶，尺寸范围是23～25nm；向原反应液中加入65～80mL去离子水和2～3mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液，加热至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第二代金纳米粒子溶胶；重复本段前面段所述步骤，分别得到第三、四、五、六金纳米粒子溶胶；第二、三、四、五、六金纳米粒子的尺寸范围分别是28～32nm、35～39nm、43～46nm、61～65nm、73～77nm；3)将步骤1)中的硅基片取出，放置到等离子体清洗剂中清洗5～10min，然后在5～10mL、体积比为1：100的γ―氨丙基三乙氧基硅烷与无水乙醇的混合溶液中浸泡20～60min，从而在硅基片表面修饰上氨基基团；随后将该硅基片放置在无水乙醇中，使用70～80w的超声处理3～5min，除去残留的物理沉积的γ―氨丙基三乙氧基硅烷；再将得到的硅基片于110～130℃下加热2～3h，使没有硅烷化的物质挥发，冷却后待用；4)密度和尺寸可调的金纳米粒子掩膜版阵列制备：将步骤3)得到的硅基片分别浸入5～15mL步骤2)得到的第二、三、四、五或六代金纳米粒子溶胶，浸泡10～150min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，从而在硅基片上得到密度和尺寸可调的金纳米粒子阵列的掩膜板(通过浸泡时间不同，吸附的金纳米粒子数量不同，即达到改变密度的结果)；密度梯度金纳米粒子掩版阵列制备：将步骤3)得到的硅基片以浸涂法的方式分别浸入到步骤2)得到的第二、三、四、五或六代金纳米粒子溶胶，浸涂下降的速度为67～333μm/min，提拉持续时间为1～4h，直到全部硅基片浸入溶胶中；然后取出硅基片，用去离子水冲洗后，氮气吹干，从而在硅基片上得到密度梯度金纳米粒子掩版阵列；5)将步骤4)得到的金纳米粒子掩膜版阵列用氧气等离子体刻蚀20～120s(刻蚀气压为5～20mTorr，刻蚀温度10～20℃，刻蚀硅基片气体流速10～50sccm，刻蚀功率为RF为0～100w，ICP为0～50w)，以金纳米粒子为掩膜，金纳米粒子覆盖区域以外的硅基片被刻蚀；将刻蚀后的硅基片使用金刻蚀剂清洗20～300s除去金纳米粒子，用去离子水洗干净吹干，从而在硅基片上得到高度在1.2～1.5nm，直径为25～50nm的氨基化基团表面的纳米阵列图案；6)将步骤5)得到的硅基片放入称量瓶中，并依次加入二氯甲烷5～15mL和三乙胺100～200μL，在4℃下放置5～20min后，再加入α-溴代异丙基酰溴50～150μL，在4℃下放置2～5h后，将称量瓶置于常温下反应10～15h，取出硅基片后分别用二氯甲烷和无水乙醇清洗2～4次，用氮气吹干；在三颈烧瓶中依次加入水1～3mL、甲基丙烯酸羟乙酯2～6mL、N,N,N′,N″,N″-五甲基二亚乙基三胺30～60μL，通高纯氮气15～30min，加入氯化亚铜6～10mg，超声5～10min溶解后通将硅基片快速放入三颈烧瓶中，并持续通氮气60～480min，取出后硅基片分别用乙醇和水清洗2～4次；从而得到密度每平方微米为10～150个、高度在2.5～13nm之间，直径在28～80nm的聚甲基丙烯酸羟乙酯分子刷阵列，或得到密度梯度的聚甲基丙烯酸羟乙酯分子刷阵列。我们利用了金纳米粒子溶胶中的表面带有负电的柠檬酸根包被金纳米粒子和步骤3)中硅基片上的氨基基团相互作用，使金纳米粒子吸附在基片表面。随后在步骤4)中，我们将金纳米粒子阵列作为掩版，使用氧等离本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸梯度聚合物刷阵列的方法，其步骤如下：1)硅基片的表面处理：将硅基片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗5～15min；将超声清洗后的硅基片置于酸性氧化处理液中煮沸处理30～50min，最后将硅基片用去离子水清洗至无酸液残留，保存于无水乙醇中待用；2)不同尺寸的柠檬酸根包被的金纳米粒子合成：将140～160mL去离子水、5.3～6.1mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液混合后加热至沸腾，在微沸状态下加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应10～30min，得到金纳米种子水溶液；降温至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第一代金纳米粒子溶胶，直径范围是23～25nm；向原反应液中加入65～80mL去离子水和2～3mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液，加热至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第二代金纳米粒子溶胶；重复本段前面段所述步骤，分别得到第三、四、五、六金纳米粒子溶胶；第二、三、四、五、六金纳米粒子的尺寸范围分别是28～32nm、35～39nm、43～46nm、61～65nm、73～77nm；3)将步骤1)中的硅基片取出，放置到等离子体清洗剂中清洗5～10min，然后在5～10mL、体积比为1：100的γ―氨丙基三乙氧基硅烷与无水乙醇的混合溶液中浸泡20～60min，从而在硅基片表面修饰上氨基基团；随后将该硅基片放置在无水乙醇中，使用70～80w的超声处理3～5min，除去残留的物理沉积的γ―氨丙基三乙氧基硅烷；再将得到的硅基片于110～130℃下加热2～3h，使没有硅烷化的物质挥发，冷却后待用；4)密度和尺寸可调的金纳米粒子掩膜版阵列制备：将步骤3)得到的硅基片分别浸入5～15mL步骤2)得到的第二、三、四、五或六代金纳米粒子溶胶，浸泡10～150min后取出，用去离子水冲洗、氮气吹干，从而在硅基片上得到密度和尺寸可调的金纳米粒子阵列的掩膜板；密度梯度金纳米粒子掩版阵列制备：将步骤3)得到的硅基片以浸涂法的方式分别浸入到步骤2)得到的第二、三、四、五或六代金纳米粒子溶胶，浸涂下降的速度为67～333μm/min，提拉持续时间为1～4h，直到全部硅基片浸入溶胶中；然后取出硅基片，用去离子水冲洗后，氮气吹干，从而在硅基片上得到密度梯度金纳米粒子掩版阵列；5)将步骤4)得到的金纳米粒子掩膜版阵列用氧气等离子体刻蚀20～120s，以金纳米粒子为掩膜，金纳米粒子覆盖区域以外的硅基片被刻蚀；将刻蚀后的硅基片使用金刻蚀剂清洗20～300s除去金纳米粒子，用去离子水洗干净吹干，从而在硅基片上得到高度在1.2～1.5nm，直径为25～50nm的氨基化基团表面的纳米阵列图案；6)将步骤5)得到的硅基片放入称量瓶中，并依次加入二氯甲烷5～15mL和三乙胺100～200μL，在4℃下放置5～20min后，再加入α‑溴代异丙基酰溴50～150μL，在4℃下放置2～5h后，将称量瓶置于常温下反应10～15h，取出硅基片后分别用二氯甲烷和无水乙醇清洗2～4次，用氮气吹干；在三颈烧瓶中依次加入水1～3mL、甲基丙烯酸羟乙酯2～6mL、N,N,N′,N″,N″‑五甲基二亚乙基三胺30～60μL，通高纯氮气15～30min，加入氯化亚铜6～10mg，超声5～10min溶解后通将硅基片快速放入三颈烧瓶中，并持续通氮气60～480min，取出后硅基片分别用乙醇和水清洗2～4次；从而得到密度每平方微米为10～150个、高度在2.5～13nm之间，直径在28～80nm的聚甲基丙烯酸羟乙酯分子刷阵列，或得到密度梯度的聚甲基丙烯酸羟乙酯分子刷阵列。...
【技术特征摘要】
1.一种利用金纳米粒子制备纳米尺寸梯度聚合物刷阵列的方法，其步骤如下：1)硅基片的表面处理：将硅基片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗5～15min；将超声清洗后的硅基片置于酸性氧化处理液中煮沸处理30～50min，最后将硅基片用去离子水清洗至无酸液残留，保存于无水乙醇中待用；2)不同尺寸的柠檬酸根包被的金纳米粒子合成：将140～160mL去离子水、5.3～6.1mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液混合后加热至沸腾，在微沸状态下加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应10～30min，得到金纳米种子水溶液；降温至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第一代金纳米粒子溶胶，直径范围是23～25nm；向原反应液中加入65～80mL去离子水和2～3mL的50～70mmol/L柠檬酸钠水溶液，加热至85～95℃，加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，再加入1000～1200μL、体积分数1％的氯金酸水溶液，反应25～35min，然后将其中的60～80mL溶液倒出，得到第二代金纳米粒子溶胶；重复本段前面段所述步骤，分别得到第三、四、五、六金纳米粒子溶胶；第二、三、四、五、六金纳米粒子的尺寸范围分别是28～32nm、35～39nm、43～46nm、61～65nm、73～77nm；3)将步骤1)中的硅基片取出，放置到等离子体清洗剂中清洗5～10min，然后在5～10mL、体积比为1：100的γ―氨丙基三乙氧基硅烷与无水乙醇的混合溶液中浸泡20～60min，从而在硅基片表面修饰上氨基基团；随后将该硅基片放置在无水乙醇中，使用70～80w的超声处理3～5min，除去残留的物理沉积的γ―氨丙基三乙氧基硅烷；再将得到的硅基片于110～130℃下加热2～3h，使没有硅烷化的物质挥发，冷却后待用；4)密度和尺寸可调的金纳米粒子掩膜版阵列制备：将步骤3)得到的硅基片分别浸入5～15mL步骤2)得到的第二、三、四、五或六代金纳米粒子溶胶，浸泡10～150min后取出，用去离子...
【专利技术属性】
技术研发人员：张俊虎，陈星池，薛培宏，杨柏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。