北理工在超分子-高分子體系精確可控自組裝方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-10-15 供稿：材料學(xué)院 李霄羽
編輯：邵澤 審核：馬壯 閱讀次數(shù)：近日，北理工材料學(xué)院羅運(yùn)軍-李霄羽課題組提出了一種超分子-嵌段共聚物共組裝體系的精確可控自組裝新策略,。相關(guān)成果以“Supramolecular hexagonal platelet assemblies with uniform and precisely-controlled dimensions”為題，發(fā)表于頂級學(xué)術(shù)期刊Journal of the American Chemical Society,。材料學(xué)院17級碩士生陳罡風(fēng)為該論文的第一作者,，羅運(yùn)軍教授和李霄羽教授為論文的共同通訊作者。
規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界與人工體系中,，利用自下而上的方法制備規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)及化學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一,。近年來，研究者們嘗試?yán)脽o機(jī)材料（如石墨烯,、金屬硫族化合物等）和軟物質(zhì)（如蛋白質(zhì),、有機(jī)小分子、超分子化合物和結(jié)晶聚合物等）等各種物質(zhì)來合成二維納米結(jié)構(gòu),。其中,，利用結(jié)晶嵌段聚合物的結(jié)晶驅(qū)動自組裝來合成二維片狀結(jié)構(gòu)是一種高效且重要的方法，但是這一方法局限于幾種特定的結(jié)晶聚合物,，而且二維片的形狀受限于聚合物結(jié)晶嵌段的晶體結(jié)構(gòu),。另一方面，隨著超分子化學(xué)的發(fā)展,，很多主客體體系得到充分研究,。主客體體系中，主體分子具有特定尺寸的孔而且可以包合多種客體分子,，包括聚合物,。
鑒于此，我校材料學(xué)院羅運(yùn)軍-李霄羽課題組提出了利用主體分子三鄰苯二氧基環(huán)三磷腈（TPP）和嵌段聚合物客體分子共組裝制備二維片層結(jié)構(gòu)組裝體的新方法,。其中,，主體分子的晶體結(jié)構(gòu)決定了片層組裝體的形貌，因此該方法極大地豐富了嵌段聚合物的選擇,。
作者設(shè)計(jì)了三種嵌段聚合物均可以與主體分子TPP在溶液中共組裝成形狀規(guī)則的六邊形片層組裝體,。組裝過程中，TPP分子形成六邊形孔道時,，與嵌段聚合物的聚乙二醇嵌段或聚丁二烯嵌段作用,，將其包合在形成的孔道中，形成包合絡(luò)合物,。其它嵌段則限制TPP的生長方向,，使得組裝體形成二維片狀結(jié)構(gòu)，同時為組裝體提供膠體穩(wěn)定性,。
選擇其中一種嵌段聚合物和TPP組裝成的六邊形片層結(jié)構(gòu)，作者利用“籽晶生長法”,，對其溶液進(jìn)行超聲破碎得到較小的扁球形片層結(jié)構(gòu),，再以之核，加入新的嵌段聚合物和TPP進(jìn)行生長，最終形成尺寸均一的六邊形片層結(jié)構(gòu),。
進(jìn)而作者探究了六邊形片層結(jié)構(gòu)的生長規(guī)律,，通過統(tǒng)計(jì)片層結(jié)構(gòu)的六邊形內(nèi)角角度、邊長和厚度并計(jì)算出相應(yīng)的體積,，發(fā)現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)所增加的體積與新加入的嵌段聚合物和TPP/籽晶片二者質(zhì)量之比呈嚴(yán)格的線性關(guān)系,。
更近一步地，作者以該六邊形片層結(jié)構(gòu)為核,，依次繼續(xù)生長了另外兩種嵌段聚合物與TPP的組裝體,，最終形成“三嵌段”六邊形片層組裝體。此外,，作者在聚乙二醇均聚物與TPP形成的六棱柱晶體上生長出嵌段聚合物與TPP組裝的片層結(jié)構(gòu),。這些結(jié)果證明了這一方法的有效性、通用性和可操作性,。
這種方法將結(jié)晶驅(qū)動自組裝與嵌段聚合物-超分子的主客體作用相結(jié)合,，提供了一種新的幾何片層組裝體的精確可控合成策略。這種方法可以擴(kuò)展至其他類似的主客體體系中,，為更多規(guī)則幾何組裝體的設(shè)計(jì)和制備提供了新思路,，因而將為嵌段聚合物組裝體的功能化和應(yīng)用提供更多可能性。
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