声悬浮液滴表面的纳米颗粒自组装
2019-12-12 07:40

金属和半导体纳米颗粒具有通过自组装形成高度有序阵列的能力,因此可以被用来制备纳米自组装结构/器件,在传感、防伪、离子门控、纳米光子学和纳米电子学等领域具有很大的应用和发展潜力。

近期,西北工业大学臧渡洋教授课题组与澳大利亚莫纳什大学程文龙教授课题组合作,提出了一种制备自支撑纳米自组装体的全新方法:利用声辐射力抑制常规液滴蒸发时的咖啡环效应,从而获得大面积、自支撑的双层有序纳米颗粒自组装体。该项研究成果以“A General Approach to Free-Standing Nanoassembliesvia Acoustic Levitation Self-Assembly”为题于近日在纳米领域期刊ACS Nano(IF:13.709)上在线发表。

先前的纳米自组装体的制备方法方法包括Langmuir- Blodgett、基于DNA的干燥介导自组装、液-液界面自组装、气-液界面自组装和逐层组装等。在这些常规方法中,自组装过程中固体或容器的表面接触是不可避免的,这通常会影响自支撑纳米组件的质量、可转移性和可制造性,特别是固-液边界或固-气界面在溶剂蒸发过程中的“咖啡环”效应也会显著影响纳米组件的均匀性。相比之下,声悬浮技术可以在自组装过程的任何阶段完全避免固-气和固-液界面,从而提供一种无容器自组装条件。

立方金纳米颗粒(Au NCs)是通过种子介导生长法合成的,通过接枝硫代聚苯乙烯(SH-PS)使其具有疏水性。为了避免固体基质的影响,用作Au纳米颗粒组装模板的水滴在某个声压节点中被声悬浮装置悬浮(图1a)。随后将浓缩的PS-Au NC悬浮液滴在悬浮的水滴表面,溶剂快速蒸发后,固体纳米颗粒聚集在液滴周围,形成金色的悬浮液体弹珠。随着液体的进一步蒸发,悬浮的金色液体弹珠在垂直方向上收缩,但水平方向保持恒定,最终获得具有双层结构的圆盘状自组装体(图1 b-f)。

声悬浮液滴表面的纳米颗粒自组装

为了理解水蒸发时液体弹珠的形状演变过程,研究者通过系统的实验研究和深入的数值模拟,计算并绘制了液体弹珠表面的声辐射压力PA(图2a),并与未滴加PS-Au NC悬浮液的液滴表面进行了比较。研究结果表明,声辐射压力PA的分布是不均匀的,在液滴的两极区域为正,赤道区域为负,PA的这种分布表明在液滴赤道处存在着由声波引起的吸力效应。
       这对于后来液滴形状的演化是极其重要的。对于包覆纳米颗粒的液滴,随着液滴的蒸发,金纳米颗粒表面浓度增大,表面张力下降,直到达到界面阻塞状态。界面阻塞和声辐射力共同作用使得液滴保持饼状,最终形成了二维圆盘状纳米组件(图2c)。
       对比发现,悬浮的“裸露”水滴均匀收缩(图2b),因为其表面张力在整个蒸发过程中不会发生变化,可见声场中悬浮液滴的形状和声场与表面张力的相互作用有关,在二者互相作用的状态下变化的表面张力导致了双层膜结构的形成。

声悬浮液滴表面的纳米颗粒自组装

在此基础上,还可以制备结构更为复杂的纳米颗粒自组装体,比如“三明治”结构(图3a)和空壳结构(图3b)等。

声悬浮液滴表面的纳米颗粒自组装

该项工作清晰地表明声悬浮自组装是制造自支撑纳米自组装体的有效方法,具有广泛的适应性,这使得制备多功能纳米组件如双层、三层和空心胶囊等成为可能,甚至可推广至液体介质中,为在液-液界面上制备类似纳米自组装体开辟了新的途径。  

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