尺寸易調控的有機微納晶研究

劉夢宇

（西安海棠職業學院，陜西 西安 710000）

1 納米材料概述

納米材料作為一種興起于20世紀的新型材料，目前仍然是全球科研界的一個研究熱點[1-2]。正是因為納米材料的研究領域和應用領域等方面廣受關注，其在材料及其理論研究方面具有劃時代的重大意義。隨著科學技術的日新月異，人們對物質的基本組成有了更加深入的認識，從宏觀領域深入微觀領域，經歷了分子、原子、電子的研究，人們對物質的認識走到了一個新的起點——介于宏觀和微觀之間的新領域[3-6]。通常情況下，人們把宏觀和微觀之間的范疇稱為介觀系統，這種全新的領域，引起了全世界科學工作者的高度重視。在過去的幾十年中，介觀系統憑借廣闊的應用前景和巨大的發展潛力，推動了納米材料高速發展，拓展了很多新領域、新方向。

這種新技術最早是諾貝爾物理獎獲得者Richard Feyneman提出的，他曾發表過一次非常經典的報告，在那次報告中，他提出了“自下而上”這一概念，認為研究者可以按照自身的實際需要，從材料的基本構成來協調材料的合成。但這一技術受到當時其他技術發展的阻礙，直到1981年掃描隧道顯微鏡誕生，人們可以直接觀察單個原子，使納米技術的研究有了發展的技術基礎。

2 納米材料的分類

納米科技是在納米尺寸級別內，對材料的基本組成進行加工和組裝的科技。相對于傳統由大到小的制備過程，納米科技是由小到大的組裝過程。根據結構的維數，納米材料基本可以分為4類：（1）零維（顆粒）；（2）一維（線、棒、 管等）；（3）二維（層狀、片狀、帶狀、薄膜等）；（4）三維 （棱柱、花狀、空間網狀、介孔材料等）。按照具體的研究對象，微納米材料又可以分為：（1）無機微納米材料（包括金屬和無機半導體）；（2）高分子微納米材料；（3）有機小分子微納米材料；（4）有機無機微納米復合材料。

有機納米材料通常具有結構和性能的多樣性、外觀柔韌性、原料廉價易得、易剪裁性等優勢，有機微納晶因此具有良好的研究前景，同時納米科技的研究范疇也得到了拓展，有機納米材料成為其必不可少且前景廣闊的重要分支。有機材料大體上可以分為3類：高分子材料、生物分子材料（DNA、蛋白質、多肽等）和有機小分子材料。

3 納米材料的研究現狀

目前，有機小分子微納晶的研究比較少，而且其性能的探索并沒有得到足夠的重視。一方面原因是，有機分子的低維結構是由范德華力和氫鍵等比較弱的作用力相互作用而成，并非穩定的化學鍵。另一方面，有機分子結構的繁多使其性質多種多樣，因此，很多傳統的理論在很多有機分子的研究方面并不適用，在很大程度上增加了整個有機分子材料研究體系的困難和挑戰。與此同時，有機小分子的微納米結構材料所展現的新功能、特性，賦予了該領域的研究極大的發展潛力和創新意義，也為新理論的提出和舊理論的完善提供了契機。

本研究采用再沉淀法[4-6]制備了一系列不同尺寸的硫甲基取代的聚苯乙烯撐分子有機小尺寸納米棒。再沉淀法的原理是利用有機物在不同溶劑中不同的溶解度，使其由于溶解度的變化而析出，生長為具有特定聚集形式的微納結構。具體的操作是將目標分子溶解在溶劑中，再轉入不良溶劑體系中，使有機分子由于溶解度的不同，析出自發組裝規整的有機微納晶體。這種方法得到的有機微納晶體的穩定性和本身的性質有關，有的晶體可以存放幾個月到一年，有的比較容易相互聚集、沉降，形成非理想體系。這種制備方法操作簡單、便利，且產物的單分散性好，非常常見，因此成為有機納晶研究的基本方法。

4 制備不同尺寸的微納晶

用微量注射器吸取50 μL、濃度為2.0×10-3mol/L的TDSB/THF溶液，在劇烈的攪拌下，緩慢加入2 mL預先配制好的一系列不同濃度的CTAB混合溶液（乙醇、水體積比為1∶1），CTAB的濃度分別為5.4×10-3、4.0×10-3、2.7×10-3、1.8×10-3、0.9×10-3mol/L，編號分別為a、b、c、d、e 5組。攪拌10 min后，即可得到不同尺寸的TDSB納米棒。

改進傳統的再沉淀法制備的TDSB納米棒，通過控制表面活性劑量，可以得到一系列不同尺寸的納米棒。由于表面活性劑CTAB不發射熒光，用熒光顯微鏡拍攝的熒光照片是TDSB納米棒的具體形貌和聚集形態。將制備的溶液滴于干凈的玻璃片上，待干燥后，在紫外激發光源的激發下進行觀察和照片拍攝。通過熒光照片可以明顯地觀察到：TDSB納米棒的顏色為綠色熒光，并且在不同濃度表面活性劑的作用下，尺寸會有明顯的變化（見圖1）。

圖1 不同CTAB濃度下TDSB生長情況的熒光顯微照片

經過對熒光顯微照片的具體統計測量發現，當體系中表面活性劑的濃度在5.4、4.0、2.7、1.8和0.9 mmol/L時，所得TDSB納米棒的尺寸分別為（1.0±0.5） μm、（3.0±1.0） μm、（5.0±1.0） μm、（7.0±2.0） μm、（10.0±3.0） μm，尺寸分布較為集中，且形貌均良好，可以作為合適的光學諧振腔。放置幾天之后，a、b、c 3組體系較為穩定，而d、e兩組體系有輕微沉降現象。如果直接用白光觀測樣品所在玻璃片，會看到大片的薄膜，這是表面活性劑CTAB沉積造成的，所以無法直接觀測TDSB納米棒的形貌，需要借助紫外燈激發。基于以上數據和分析，大致可以推斷TDSB納米棒的尺寸形貌變化和CTAB水溶液濃度有直接的關系，作用原理是：當CTAB在臨界膠束濃度（0.9 mmol/L）以上時，會自組裝形成直徑約6 nm的球形膠束，膠束內部為疏水基團烷基鏈，外部為親水基團，所以當TDSB分子加入CTAB膠束體系時，有機分子的非水溶性會使其進入CTAB的內部憎水核中，并且由于TDSB分子結構含有苯環，誘導了球狀膠束向棒狀膠束形成的過程，得到了一系列不同尺寸的TDSB納米棒。

5 結語

選擇具有良好光電性能的齊聚苯乙烯撐類分子作為主要的研究對象，通過在末端位置引入不同的官能團來改變分子的結構，并通過再沉淀的方法對分子的形貌和性能進行調控，調整表面活性劑的用量，制備了一系列不同尺寸的TDSB納米棒。