JACS—李明小组—自组装纳米材料研究

近日，中科院物理所软物质物理实验室李明研究组，在自组装纳米材料研究中取得最新进展。他们利用表面活性剂分子的自组装特性来分散并排列直径约3 nm的半导体量子点，获得了固体表面大面积高度有序的纳米颗粒-磷脂多层复合结构。该方法对于不同纳米颗粒(包括生物大分子、碳纳米管等)及不同种类的表面活性剂分子都具有良好的适应性，具有广泛的应用前景。详细结果发表在《美国化学学会会志》(J. AM. CHEM. SOC. 129, 11332 (2007))上。本工作得到了中国科学院知识创新工程和国家自然科学基金委员会的资助。
 
该研究组对在有机模板内进行纳米材料的分散组装进行了长期的研究。该小组使用一种中性磷脂，利用一定浓度下磷脂分子能够自组装形成亲水层-疏水层交替多层结构的性质，使量子点均匀地分散在磷脂亲水层间，并在层内形成有序的二维分布。这一过程始于具有一定相对浓度的颗粒和磷脂的混合溶液。溶液中纳米颗粒较均匀地吸附在胶束或脂质体表面。将混合溶液滴在做过亲水处理的固体表面，借助溶剂的快速挥发可使磷脂自组装成多层膜结构，同时，在胶束或脂质体表面吸附的纳米颗粒被裹挟在亲水层间。溶剂分子在由中心向边缘逃逸的过程中引发层流，混合溶液流动所带来的剪切使得多层膜平行于固体衬底排列。X射线反射、X射线掠入射衍射及TEM等方法验证了这种多层有序复合结构的存在，并获得了同一层内相邻颗粒中心之间距离的具体数值。
 
在纳米尺度上对量子点进行有序排列并控制相邻颗粒之间的距离，可以改变量子点之间、量子点与其载体之间的共振耦合性质, 在微电子器件、仿生材料等领域有广泛的应用前景。在纳米尺度上控制量子点的排列并达到长程有序性是一个具有挑战性的课题。过去的研究工作大多基于纳米颗粒在固体支撑物上的原位生长，这种方法很难控制纳米颗粒的尺寸分布以及纳米颗粒在支撑物上的分散有序性。随着单分散纳米颗粒合成技术的进步，更多新的组装方法例如外场引导的沉积和静电层层组装等也被大量采用。这些方法尽管要求复杂的操作过程和/或颗粒与有机物间的电荷匹配效应，却很难得到长程有序的复合结构。