宫艺、田兴友等在胶体分子结构控制研究方面取得新进展

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近期，中科院合肥研究院固体所高分子与复合材料研究部在胶体分子结构控制及形貌演变机制方面取得新进展，相关研究结果以“Effective Structure Control of Colloidal Molecules and the Morphology Evolution Mechanism Investigation”为题发表于胶体与界面领域国际期刊Langmuir。
　　胶体分子是由少量粒子组成的非球形团簇，由于在自组装、生物成像以及生物诊疗等领域应用广泛而备受关注。在表面自由能的驱动下，比表面积最小的球形粒子较为稳定，使得非球形胶体分子的制备面临严峻挑战。目前，非球形胶体分子主要通过可控团簇法、控制相分离法以及表面成核-核生长法等方法合成。该工作提出了一种新型一锅法制备可控形貌的胶体分子，包括CO2型、NH3型以及CH4型等AXn型和爆米花状胶体分子（图1）。通过该方法制备胶体分子可实现种球表面直接成核和核生长，避免了耗时的种球溶胀和表面预处理过程，具有独特的优势。

图1.不同形貌胶体分子的形成过程

图2. 不同形貌胶体分子形成机理

       研究人员总结了不同形貌胶体分子形成机制，发现基于种球表面残留的自由基，后续加入的苯乙烯单体可直接被引发聚合。在爆米花状胶体分子制备中，将二乙烯基苯（DVB）和苯乙烯单体同时加入种球反应液中可得到交联的聚苯乙烯三维网状结构，阻止了多个聚苯乙烯核之间的融合，最终得到含有多个聚苯乙烯卫星胶体的爆米花状胶体分子（图2，路线1）。在AXn型胶体分子制备中，先向种球分散液中加入苯乙烯反应1小时，种球表面残留的自由基会引发苯乙烯单体原位聚合，产生具有多个聚苯乙烯核的中间体（图2，路线2,3-(a)）。高界面张力使得该中间体在水中不稳定，从而驱使多个聚苯乙烯核融合，形成具有少量、体积较大的聚苯乙烯核中间体（图2，路线2,3-(b)）。1小时后，若不进行任何处理继续反应3小时，会产生聚苯乙烯核再生长过程，得到非交联的AXn型胶体分子（图2，路线2-(c)）；若加入DVB继续反应3小时，聚苯乙烯核的再生长过程和聚苯乙烯链交联过程会同时发生，得到交联的AXn型胶体分子（图2，路线3-(c)）。
　　该工作中，研究人员基于表面成核-核生长机理提出一种新方法制备形貌可控的胶体分子。通过控制苯乙烯和DVB的加入量、加入方式可以调控胶体分子形貌和尺寸，得到爆米花状和（交联的）AXn型（CO2型、NH3型、CH4型等）胶体分子。在研究范围内，AXn型胶体分子中n值与苯乙烯含量呈负相关。融合过程受聚苯乙烯卫星胶体粘度、油水界面张力以及聚合物链移动性三个因素影响，决定了最终胶体分子的形貌。在无需种球溶胀和表面预处理条件的前提下，该方法可获得形貌可控的胶体分子，具有良好的产业化的前景。
　　以上相关成果已经入选Langmuir期刊副封面，论文的第一作者为张微，通讯作者为宫艺副研究员和田兴友研究员。该工作得到了中科院青促会、中科院合肥研究院院长基金和安徽省自然科学基金等多个项目资助。
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.1c02089


        文章来源：合肥研究院
        田兴友，研究员，博士生导师。中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所所长，安徽循环经济技术工程院院长。中国塑料工业协会专家委员会首批聘任专家，安徽省科学家企业家协会理事，中小型企业创新基金全国评审专家。1995年毕业于安徽大学化学系应用化学专业；并同年加入中国科学院固体物理研究所任职。2006年在中国科学院固体物理研究所获凝聚态物理博士学位；2009年3月被聘为中国科学院合肥物质科学研究院研究员，博士生导师。主要研究方向是纳米材料和聚合物基纳米复合材料的制备、性能及其产业化开发工作。多项研发成果已在企业实现了产业化，并在Macromolecules、JournalofMaterialsChemistryA、Polymer、CompositesScienceandTechnology等杂志上发表论文六十余篇。申请国家发明专利60多项，已经授权30余项。承担的研究课题包括国家863计划、国家科技支撑计划、中科院院地合作专项及二十多项企业委托开发项目。目前主要的研究方向：1.纳米复合高分子材料的功能化和高性能化及其应用技术；2.节能环保材料的制备与应用技术；3.纳米复合分散体系的制备及其应用技术。