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无机材料学报
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纳米材料形貌和性能调控的仿生自组装研究进展
李华鑫, 陈俊勇, 肖洲, 乐弦, 余显波, 向军辉
无机材料学报    2021, 36 (7): 695-710.   DOI:10.15541/jim20200443
摘要   （1185） HTML （75） PDF（pc） （27572KB）（1865）  

纳米材料在纳米尺度展现出的特殊性质, 相较于宏观尺度材料表现出众多优异特性, 在力学、声学、光学、磁学、电学、热学等各种领域具有良好的应用前景。纳米材料的仿生自组装技术模拟活体生命活动, 使纳米材料基于非共价键的相互作用, 自发形成稳定结构, 现已成为制备纳米材料的主要方法之一。仿生自组装技术是“自上而下”方法中的重要技术手段, 这种合成方式有望代替传统的“自上而下”加工技术, 实现单个原子或分子在纳米尺度上构造特定结构和功能的器件。另外, 仿生自组装技术虽然以化学过程为主, 但又有物理过程, 并且结合了“仿生学”的优点, 具有定向构造纳米材料的特点, 是众多交叉学科的热门研究手段。本文重点介绍了纳米材料在形貌和性能调控中不同的仿生自组装合成策略, 包括屏蔽效应的位相选择自组装、双相界面协同效应的仿生自组装、场诱导定位效应的功能器件一体化制备、光诱导自组装以及羟基氢键驱动的分相自组装, 总结了仿生自组装纳米材料的特性, 归纳了自组装技术在传感器、表面拉曼散射、生物医疗等领域的应用, 并对纳米材料仿生自组装技术的发展前景进行了展望。



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图3 超薄聚亚胺膜制备过程及膜性能表征[41]
正文中引用本图/表的段落
生物材料具有多组分的特征, 通常是由有序的有机-无机杂化结构组成, 基于双相界面表面张力, 利用仿生自组装开发和制备不同形貌和功能的纳米材料也是目前研究的热点之一。Tiwari等[41]基于Pieranski理论, 在水-二甲苯双相界面实现了自支撑超薄聚亚胺分子分离膜的大面积制备, 如图3所示。他们首先以1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯(TFPB)和乙二胺(EDA)为单体, 在二甲苯溶剂中制备亚胺齐聚物悬浮溶液后倒入水溶液中, 构筑水-二甲苯双相界面, 基于水催化的界面缩聚和齐聚物自组装形成具有交联网络结构的纳米级超薄聚亚胺膜。双相界面缩聚反应3 h后得到聚亚胺薄膜, 用AFM测得其厚度约为14 nm。研究表明在二氯甲烷-水和三氯甲烷-水体系界面亦可自组装制备超薄聚亚胺膜。Sun等[42]报道了一种通用的油/水界面自组装的方法, 在甲苯/ 水界面处, 亲水性的纳米粒子可自组装为有序单层膜(MLFs, 图 4(a)), 通过控制两相的界面张力, 一些典型的纳米颗粒(包括Au, Pt和SiO2)体系可在两相协同作用下自组装成有序MLFs。Xiang等[43]在柔性衬底上基于双相界面协同效应制备了具有刺猬状的多碳酸钙微球。在该研究中, 以端基为-OH的柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)单分子自组装膜(SAMs)为衬底, 分别选用有机溶剂正己烷与饱和Ca(OH)2的水溶液为两相界面制备多级有序的多孔碳酸钙微球。研究表明, 所构建的SAMs表面亲水基团和有机相界面之间的协同作用是控制多孔碳酸钙微球多级结构的重要因素。该研究为两相界面协同诱导纳米颗粒自组装制备形貌各异的纳米材料提供了新的思路。
(a) O/W emulsion; (b) W/O emulsion; (c) Changes of surface tension when particles with radius rare adsorbed on the oil-water interface ...
Large area self- assembled ultrathin polyimine nanofilms formed at the liquid- liquid interface used for molecular separation
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2020
... 生物材料具有多组分的特征, 通常是由有序的有机-无机杂化结构组成, 基于双相界面表面张力, 利用仿生自组装开发和制备不同形貌和功能的纳米材料也是目前研究的热点之一.Tiwari等[41]基于Pieranski理论, 在水-二甲苯双相界面实现了自支撑超薄聚亚胺分子分离膜的大面积制备, 如图3所示.他们首先以1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯(TFPB)和乙二胺(EDA)为单体, 在二甲苯溶剂中制备亚胺齐聚物悬浮溶液后倒入水溶液中, 构筑水-二甲苯双相界面, 基于水催化的界面缩聚和齐聚物自组装形成具有交联网络结构的纳米级超薄聚亚胺膜.双相界面缩聚反应3 h后得到聚亚胺薄膜, 用AFM测得其厚度约为14 nm.研究表明在二氯甲烷-水和三氯甲烷-水体系界面亦可自组装制备超薄聚亚胺膜.Sun等[42]报道了一种通用的油/水界面自组装的方法, 在甲苯/ 水界面处, 亲水性的纳米粒子可自组装为有序单层膜(MLFs, 图 4(a)), 通过控制两相的界面张力, 一些典型的纳米颗粒(包括Au, Pt和SiO2)体系可在两相协同作用下自组装成有序MLFs.Xiang等[43]在柔性衬底上基于双相界面协同效应制备了具有刺猬状的多碳酸钙微球.在该研究中, 以端基为-OH的柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)单分子自组装膜(SAMs)为衬底, 分别选用有机溶剂正己烷与饱和Ca(OH)2的水溶液为两相界面制备多级有序的多孔碳酸钙微球.研究表明, 所构建的SAMs表面亲水基团和有机相界面之间的协同作用是控制多孔碳酸钙微球多级结构的重要因素.该研究为两相界面协同诱导纳米颗粒自组装制备形貌各异的纳米材料提供了新的思路. ...

(BBR: Brilliant Blue R; AB: Aniline Blue; AF: Acid Fuchsin; RB: Rose Bengal; MO: Methyl Orange) ...
A universal approach for the self-assembly of hydrophilic nanoparticles into ordered monolayer films at a toluene/water interface
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2006
... 生物材料具有多组分的特征, 通常是由有序的有机-无机杂化结构组成, 基于双相界面表面张力, 利用仿生自组装开发和制备不同形貌和功能的纳米材料也是目前研究的热点之一.Tiwari等[41]基于Pieranski理论, 在水-二甲苯双相界面实现了自支撑超薄聚亚胺分子分离膜的大面积制备, 如图3所示.他们首先以1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯(TFPB)和乙二胺(EDA)为单体, 在二甲苯溶剂中制备亚胺齐聚物悬浮溶液后倒入水溶液中, 构筑水-二甲苯双相界面, 基于水催化的界面缩聚和齐聚物自组装形成具有交联网络结构的纳米级超薄聚亚胺膜.双相界面缩聚反应3 h后得到聚亚胺薄膜, 用AFM测得其厚度约为14 nm.研究表明在二氯甲烷-水和三氯甲烷-水体系界面亦可自组装制备超薄聚亚胺膜.Sun等[42]报道了一种通用的油/水界面自组装的方法, 在甲苯/ 水界面处, 亲水性的纳米粒子可自组装为有序单层膜(MLFs, 图 4(a)), 通过控制两相的界面张力, 一些典型的纳米颗粒(包括Au, Pt和SiO2)体系可在两相协同作用下自组装成有序MLFs.Xiang等[43]在柔性衬底上基于双相界面协同效应制备了具有刺猬状的多碳酸钙微球.在该研究中, 以端基为-OH的柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)单分子自组装膜(SAMs)为衬底, 分别选用有机溶剂正己烷与饱和Ca(OH)2的水溶液为两相界面制备多级有序的多孔碳酸钙微球.研究表明, 所构建的SAMs表面亲水基团和有机相界面之间的协同作用是控制多孔碳酸钙微球多级结构的重要因素.该研究为两相界面协同诱导纳米颗粒自组装制备形貌各异的纳米材料提供了新的思路. ...

(BCP: Block Copolymer) ...
Fabrication of hierarchical CaCO3 mesoporous spheres: particle-mediated self-organization induced by biphase interfaces and sams
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2010
... 生物材料具有多组分的特征, 通常是由有序的有机-无机杂化结构组成, 基于双相界面表面张力, 利用仿生自组装开发和制备不同形貌和功能的纳米材料也是目前研究的热点之一.Tiwari等[41]基于Pieranski理论, 在水-二甲苯双相界面实现了自支撑超薄聚亚胺分子分离膜的大面积制备, 如图3所示.他们首先以1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯(TFPB)和乙二胺(EDA)为单体, 在二甲苯溶剂中制备亚胺齐聚物悬浮溶液后倒入水溶液中, 构筑水-二甲苯双相界面, 基于水催化的界面缩聚和齐聚物自组装形成具有交联网络结构的纳米级超薄聚亚胺膜.双相界面缩聚反应3 h后得到聚亚胺薄膜, 用AFM测得其厚度约为14 nm.研究表明在二氯甲烷-水和三氯甲烷-水体系界面亦可自组装制备超薄聚亚胺膜.Sun等[42]报道了一种通用的油/水界面自组装的方法, 在甲苯/ 水界面处, 亲水性的纳米粒子可自组装为有序单层膜(MLFs, 图 4(a)), 通过控制两相的界面张力, 一些典型的纳米颗粒(包括Au, Pt和SiO2)体系可在两相协同作用下自组装成有序MLFs.Xiang等[43]在柔性衬底上基于双相界面协同效应制备了具有刺猬状的多碳酸钙微球.在该研究中, 以端基为-OH的柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)单分子自组装膜(SAMs)为衬底, 分别选用有机溶剂正己烷与饱和Ca(OH)2的水溶液为两相界面制备多级有序的多孔碳酸钙微球.研究表明, 所构建的SAMs表面亲水基团和有机相界面之间的协同作用是控制多孔碳酸钙微球多级结构的重要因素.该研究为两相界面协同诱导纳米颗粒自组装制备形貌各异的纳米材料提供了新的思路. ...
Synthesis, self-assembly, and high performance in gas sensing of X-Shaped iron oxide crystals
3
2012
... 随着纳米粒子(如CdSe, Au等)功能化技术的发展, 由纳米粒子组装制备新型功能材料成为研究的热点.Song等[44]借助水热合成法制备出X形针铁矿(α-FeOOH)晶体, 各向异性的X形针铁矿晶体在油/水界面处可自组装形成微米级空心球, 通过相拓扑变换获得具有相同形态的赤铁矿(α-Fe2O3)晶体(图4(b)), 主要归因于X形针铁矿晶体在油/水两相协同作用下堆积, 降低了系统的总自由能, X形针铁矿晶体组装在每个胶束的油水界面处形成了空心球结构.X形赤铁矿晶体对CO和H2气体表现出优异的传感性能. ...

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