JACS—李明小組—自組裝納米材料研究

近日，中科院物理所軟物質物理實驗室李明研究組，在自組裝納米材料研究中取得最新進展。他們利用表面活性劑分子的自組裝特性來分散并排列直徑約3 nm的半導體量子點，獲得了固體表面大面積高度有序的納米顆粒-磷脂多層復合結構。該方法對于不同納米顆粒(包括生物大分子、碳納米管等)及不同種類的表面活性劑分子都具有良好的適應性，具有廣泛的應用前景。詳細結果發表在《美國化學學會會志》(J. AM. CHEM. SOC. 129, 11332 (2007))上。本工作得到了中國科學院知識創新工程和國家自然科學基金委員會的資助。
 
該研究組對在有機模板內進行納米材料的分散組裝進行了長期的研究。該小組使用一種中性磷脂，利用一定濃度下磷脂分子能夠自組裝形成親水層-疏水層交替多層結構的性質，使量子點均勻地分散在磷脂親水層間，并在層內形成有序的二維分布。這一過程始于具有一定相對濃度的顆粒和磷脂的混合溶液。溶液中納米顆粒較均勻地吸附在膠束或脂質體表面。將混合溶液滴在做過親水處理的固體表面，借助溶劑的快速揮發可使磷脂自組裝成多層膜結構，同時，在膠束或脂質體表面吸附的納米顆粒被裹挾在親水層間。溶劑分子在由中心向邊緣逃逸的過程中引發層流，混合溶液流動所帶來的剪切使得多層膜平行于固體襯底排列。X射線反射、X射線掠入射衍射及TEM等方法驗證了這種多層有序復合結構的存在，并獲得了同一層內相鄰顆粒中心之間距離的具體數值。
 
在納米尺度上對量子點進行有序排列并控制相鄰顆粒之間的距離，可以改變量子點之間、量子點與其載體之間的共振耦合性質, 在微電子器件、仿生材料等領域有廣泛的應用前景。在納米尺度上控制量子點的排列并達到長程有序性是一個具有挑戰性的課題。過去的研究工作大多基于納米顆粒在固體支撐物上的原位生長，這種方法很難控制納米顆粒的尺寸分布以及納米顆粒在支撐物上的分散有序性。隨著單分散納米顆粒合成技術的進步，更多新的組裝方法例如外場引導的沉積和靜電層層組裝等也被大量采用。這些方法盡管要求復雜的操作過程和/或顆粒與有機物間的電荷匹配效應，卻很難得到長程有序的復合結構。