一种有序化组装方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种凝胶化诱导有序组装方法。该方法基于组装基底与组装基元之间的静电作用，实现组装基元的有序化组装。具体的，将可以释放带电粒子的基底置于组装液中，得到有序化组装的材料；所述组装液包括组装基元，所述组装基元可与所述带电粒子形成静电作用。进一步的，本发明专利技术还基于凝胶诱导取向进一步提高组装材料的取向度。本发明专利技术简便地实现了纳米材料有序组装制备、微观结构控制，并实现了以复杂形状和多种材质的基底为模板制备多种形态和功能的纳米复合材料。功能的纳米复合材料。功能的纳米复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种有序化组装方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米材料组装方法及应用。

技术介绍

[0002]纳米材料组装体的优异性能吸引了众多科学家来组装纳米材料，以制造一系列功能化的微纳米集成器件，使得人类的生活产生了巨大的变化。纳米材料的可控有序组装对于纳米材料在各行各业中的应用至关重要，尽管过去二十多年，人们发展了很多纳米材料的组装方法，但是如何大面积、高效、低成本、精确的组装纳米材料依旧是限制其更广泛深入应用的挑战与难点。纳米材料的可控有序组装是目前乃至今后几十年纳米科学技术的重要发展方向。
[0003]一维纳米材料因其独特而优异的性质，一直是近年来纳米科学和纳米
研究的热点，它包括各种金属和半导体纳米线、碳纳米管、核壳和杂化结构等。它们具有沿轴向方向上出色的力学、电学性能，较高的抗拉强度和杨氏模量，同时具有优异的柔韧性等，并广泛应用于电子学、光电子学、储能以及生物学领域。但如何有效地将纳米线组装成宏观尺度材料已成为纳米线应用未来发展亟需解决的基本问题。常见的方法包括液体界面纳米线组装、液体中纳米线组装以及固体间隙纳米线组装。
[0004]二维材料具有优越的电子、热学、机械性能，将二维纳米材料组装成二维组装体薄膜或者三维组装体块体等，对于实现纳米材料的高级性能至关重要。组装体具有的优异电学、力学性能，高比面积，内部结构或网络等使得二维纳米材料组装体在众多领域有着广泛的应用。常见的二维材料有石墨烯纳米片、氮化硼纳米片等等。常见的组装方法包括：层层自组装、界面超铺展法、冰模板法、抽滤法等。/>[0005]层层组装法，最初利用带电基板在带相反电荷的聚电解质溶液中交替沉积制备聚电解质自组装多层膜，后通过在溶液中引入一维或二维材料，使用层层组装法可以精确地控制微观结构和实现高负载的无机相，同时具有高取向度，但是制备过程耗时、难以大规模生产等缺点在一定程度上限制了该方法的实际应用。离子扩散法虽然在一定程度上提高了组装速率，但未实现纳米材料的高度取向组装，目前报道的文章通过离子扩散法实现纳米片无序固定，利用水挥发的毛细力实现柔性纳米片堆叠取向，但其取向度有限，且无法实现对于刚性纳米片的取向。
[0006]对于一维、二维纳米材料的组装方法均存在耗时或有序度低的问题，且无法实现以任意形状的材料为模板制备复杂形状的骨架。如何实现快速简便且可控地制备多种形貌的骨架材料是亟待解决的一个重要问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出纳米材料的有序化组装方法。该方法基于组装基底与组装基元之间的静电作用，实现组装基元的有序化组装。
[0008]具体的，采用如下方案：将可以释放带电粒子的基底置于组装液中，得到有序化组
装的材料；所述组装液包括组装基元，所述组装基元可与所述带电粒子形成静电作用。
[0009]其中，释放带电粒子的基底可以为：通过反应原位释放带电粒子的金属、吸附带电粒子的亲水材料(包括吸水材料、亲水改性后的疏水材料，如塑料等)。带电粒子可以为：带电离子或带电高分子(聚电解质)。例如：阳离子(Na
+
、Ca
2+
、Zn
2+
、Ba
2+
、Cu
2+
、Fe
3+
、Al
3+
、Zr
4+
等)中的至少一种。由于组装基元是基底释放的带电粒子作用下进行组装的，本领域技术人员可以预见，在吸附情形下，基底上吸附的带电粒子的浓度将影响取向组装的厚度。带电粒子浓度越高，组装的厚度越大；通过实验证明，在浓度为0.1mol/L时，即可实现有序组装。本领域技术人员可以根据产品厚度需求调控基底上吸附的带电粒子浓度。
[0010]其中，所述组装基元本身带电，或通过表面修饰形成表面带电。所述组装基元可以为：零维材料、一维材料、二维材料、三维材料中的至少一种。零维材料包括：金颗粒、PMMA颗粒等；一维材料包括：碳纳米管、银纳米线、碳化硅纳米线、氮化硅纳米线、纤维素纳米纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维等；二维材料包括：氮化硼纳米片、氧化铝纳米片、玻璃片、云母片、粘土片、石墨烯、二硫化钼等；三维材料包括：氯氧化铋纳米花等。
[0011]在本专利技术的某些实施例中，还包括向组装材料中注入功能性材料，得到功能性复合材料。功能性材料包括但不限于：预聚树脂、高分子单体，实现材料的功能化。
[0012]进一步地，本专利技术还涉及凝胶诱导组装，进一步提高组装效果和效率。与组装基元一起混合的凝胶组分，即，所述组装液中还包括凝胶组分，所述凝胶组分能在所述带电粒子诱导下形成凝胶，这使得带电粒子的扩散与凝胶形成同步，凝胶界面处因含有大量带电粒子使界面显电性，界面不断吸引相反电荷的纳米颗粒向界面处迁移。当组装基元与凝胶界面接触，随着带电粒子的进一步扩散，组装基元在界面处被固定，而带电粒子继续向垂直于基底方向向前扩散对后面的继续有序组装、固定。
[0013]尤其是当组装基元为具有各向异性的一维、二维材料，当其与凝胶面平行时具有最大接触面积，达到最稳定状态，一维、二维材料平行于凝胶界面取向。因此，在一维、二维材料体系下，凝胶诱导辅助将对于其取向组装，带来显著的辅助效果。
[0014]采用凝胶进行一维、二维材料的诱导取向有序组装时，组装基元的浓度在0～20vol％，若含量太高，纳米线/纳米片之间的空间位阻比较大，影响空间中的转向，将降低取向度。本领域技术人员基于体积含量的要求，结合重量＝密度*体积，即可对组装基元的重量进行方便快捷的计量。在本专利技术的实施例中，均以重量计。
[0015]本专利技术中，凝胶组分的含量以如下为前提：
①
浓度不能太低，否则，不能在所述带电粒子诱导下形成凝胶；只要达到能形成凝胶的浓度，即可为纳米材料的组装提供作用力。
②
浓度不能太高，否则组装液粘度太高，带来取向阻力；一般情况下，组装液粘度要在500mPa
·
s以下。根据以上两个前提配制所需组装液各项组分浓度为本领域公知常识。
[0016]本专利技术中，所述凝胶组分为可聚合的单体，带电粒子为引发剂的阴离子；或所述凝胶组分为聚电解质，所述带电粒子为与所述凝胶组分电性相反的离子或聚电解质。具体的，可以采用如下组合之一：
[0017]1)所述凝胶组分选自负电聚电解质(羧基、巯基、咪唑基)中的至少一
[0018]种，比如羧基聚电解质(海藻酸钠、果胶、纤维素、羧基聚氨酯、羧
[0019]基化壳聚糖、聚半乳糖醛酸钠等)，所述带电粒子选自阳离子(Na
+
、Ca
2+
、Zn
2+
、Ba
2+
、Cu
2+
、Fe
3+
、Al
3+
、Zr
4+
等)中的至少一种；
[0020]2)所述凝胶组分为选自正电聚电解质(氨基等)中的至少一种，比如氨
[0021]基聚电解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有序化组装方法，其特征在于，包括以下步骤：将可以释放带电粒子的基底置于组装液中，得到有序化组装的材料；所述组装液包括组装基元，所述组装基元可与所述带电粒子形成静电作用。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底吸附含有带电粒子的溶液，且所述带电粒子的浓度在0.1mol/L以上。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组装基元本身带电，或通过表面修饰形成表面带电。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述带电粒子为：带电离子或带电高分子。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组装基元为：零维材料、一维材料、二维材料、三维材料中的至少一种。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述零维材料包括：金颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒等，所述一维材料包括：碳纳米管、银纳米线、碳化硅纳米线、氮化硅纳米线、纤维素纳米纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维等；所述二维材料包括：氮化硼纳米片、氧化铝纳米片、玻璃片、云母片、粘土片、石墨烯、二硫化钼等；所述三维材料包括：氯氧化铋纳米花等。7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述组装液中还包括凝胶组分，所述凝胶组分能在所述带电粒子诱导下形成凝胶。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述组装基元为：一维材料或二维材料，且所述组装基元的浓度在20vol％以下。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基底吸附含有带电粒子的溶液，使得所述凝胶的形成速度在0.2mm/min...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏浩，王耀光，高微微，赵妮芳，王梦宁，吴雅恬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：