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研究内容

由于 聚合物 结构嵌段的热力学不稳定性,其超级组装仍然是一个巨大的挑战。

复旦大学 赵东元 院士、李伟研究团队通过一种新的 单胶束 界面超级组装路线,报告了一种分级聚合物 胶束 亚单元为基础的三维核-卫星SiO2@单胶束球形超级结构。这种单胶束界面的超组装策略为构建多尺度、多层次的规则微、宏尺度 材料 和器件提供了一种可控的途径。相关研究工作以“Modular super-assembly of hierarchical superstructures from monomicelle building blocks”为题发表在国际著名期刊Science Advances上。

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图1. 通过单胶束界面的模块化超级组装路线构建核-卫星超级结构。

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研究要点

要点1.在这种结构中,聚合物聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基吡啶)-嵌段-聚(环氧乙烷)(PS-PVP-PEO)单胶束亚基(~18 nm)以典型的六边形规则不连续分布(相邻胶束距离~30 nm)在胶体SiO2界面上,这是传统超组装方法难以实现的。

要点2.胶体SiO2界面上规则的单胶束数量可定量控制(在76~180之间)。这种定量控制可以通过粒子间静电相互作用(单胶束间静电斥力和单胶束与SiO2衬底之间的静电引力)的精确控制,而不需要任何额外的定向模板或外部场。

要点3.作为一种通用的方法,大量独特的超级结构已经成功地通过模块化的超组装单体胶束实现,这些单体胶束具有可调的结构(球形和圆柱形)、尺寸(从10到46 nm)和不同界面上的层(一层和两层),具有可调的组件(聚合物、氧化物、以及半导体)和几何[一维、二维和三维]。

要点4.该超组装体结构非常稳定,可以在各种溶剂(如乙醇、甲醇、水、乙酸)中自由再分散。

这种新型的单胶束界面超组装策略为构建具有独特结构复杂性和功能集成化的多尺度层次化超级结构开辟了新的途径。

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研究图文

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图1. 核-卫星SiO2@单胶束上层结构的特征。核-卫星SiO2@单胶束(PS-PVP-PEO)超级结构的低放大(A)和高放大(B) FESEM、HRTEM (C)、HAADF-STEM(D)和EDX元素映射图像。比例尺: 200 nm (A),100 nm (B和C),50 nm(D到I)。

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图2. 精确控制单胶束界面超组装策略。不同直径: 10 (A), 18 (B), 30 (C), 46 nm(D)的单胶束组装的核-卫星SiO2@单胶束的超级结构的TEM图像。通过在RF (E)、TiO2 (F)和GO(G)上组装尺寸为18 nm单胶束,在Fe2O3 (H)上组装尺寸为46 nm单胶束组装的核-卫星超结构。CSSFe2O3@RF@单胶束(I)和上转换纳米颗粒@SiO2@单胶束(J)超级结构。(K) TQD修饰的SiO2@单胶束超级结构。(L) 由两层单体胶束超组装而成,第一层和第二层单体胶束分别为18 nm和46 nm的核-卫星-卫星SiO2@单胶束@单胶束超级结构。TEM和SEM图像的比例尺为100 nm。

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图3. 核-卫星SiO2@单胶束超粒子的纳米级表面粗糙度和润湿行为。0 (F), 76 (A andG), 90 (B and H), 110 (C and I), 130 (D and J)和180 (Eand K)个单胶束组装的核-卫星SiO2@单胶束超粒子的低放大倍数(A-E)和高放大倍数(F-K)的SEM图片,相应的结构模型和水接触角(2°, 24°, 41°, 53°, 65°, 78°)。(L)水接触角与SiO2纳米球上单体胶束数量的关系。(M) SiO2(−0.40,−0.60,−1.1,−1.8,−2.8,−4.0 mC/m2)表面电荷密度、胶体SiO2纳米球表面单胶束数量与溶液中氨添加量[0、5、10、15、20、25% (w/w)]之间的关系。比例尺,200 nm (A到E)和100 nm(F到K)。

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图5. 基于单胶团单元的界面超组装的理论模拟。(A)超级结构的超级组装工艺。在单胶团数目n (B)和n+1 (C)不同的情况下,SiO2界面上单胶团单元的相互作用模型。(D)每个固体SiO2上归一化总能量与单胶束数的关系。(E)固体SiO2界面上存在不同数量的单胶束时胶束-胶束和SiO2-胶束的能量变化曲线。

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文献详情

Modular super-assembly of hierarchical superstructures from monomicelle building blocks

Zaiwang Zhao, Yujuan Zhao, Runfeng Lin, Yuzhu Ma, Lipeng Wang, Liangliang Liu, Kun Lan, Jie Zhang, Hanxing Chen, Mengli Liu, Fanxing Bu, Pengfei Zhang, Liang Peng, Xingmiao Zhang, Yupu Liu, Chin-Te Hung, Angang Dong, Wei Li,* Dongyuan Zhao*

Sci. Adv.

DOI: 10.1126/sciadv.abo0283

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