水相胶体银纳米颗粒微波控制蒸发组装的研究

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将纳米尺度的材料(例如纳米颗粒)有序组装,是实现其特定功能应用的关键。蒸发自组装是其中易于实现、成本低、可大规模操作的一种方法。然而由于液体蒸发时内部不稳定,组装结果多为耗散结构,缺乏有序性。传统的控制蒸发自组装的方法可以使所成结构有序化,然而这些结构尺寸多在纳米尺度以上。  微波作为一种非传统加热源,已被广泛用于纳米材料的合成。相比于传统加热手段,微波具有迅速、高效、可选择性加热、均匀致热等优点。然而,将微波作为以纳米材料为基元的组装调控手段,鲜有报道。因此,研究微波场下的胶体纳米颗粒的组装行为,具有重要的理论意义和实际应用价值。  本文围绕利用微波辐照结合限定几何结构开展调控水溶剂胶体纳米颗粒的蒸发自组装的研究,主要做了以下几方面工作:  1.通过分析水平基板上纳米颗粒的胶体溶液形成的静液滴(sessile drop)蒸发形成“咖啡环”的过程,基于“过剩自由能”模型的多环(multi-rings)成因以及促成不规则网格状图案的“雷利-伯纳德涡流”,结合微波辐照下极性溶剂(例如水)和微波相互作用的机理,从理论上分析了微波场辅助水相胶体纳米颗粒蒸发自组装形成规整结构的可能性,并利用水相磁性氧化铁纳米颗粒在水平基板上,由微波场辅助做了简单的蒸发自组装验证推测的正确性。  2.为进一步调控液滴蒸发时内部毛细流以及三相线的运动行为,引入球面/平面的限定几何机构,使用水相聚乙烯醇包覆的纳米银颗粒做基础模块(building block),在微波辐照下,由于三相线做规则的“粘滞-滑动”运动,随三相线向球面/平面蒸发收缩,边缘形成了梯度同心环状组装结构。通过调控水相胶体银的浓度以及微波输出功率,可以改变环宽度、高度以及环间距;通过改变基底的粗糙度,以及上底的形状,我们可以得到不同形貌和尺寸的组装结构。  3.为进一步抑制影响规则同心环形成的“雷利-伯纳德”涡流,引入树脂器皿,使胶体在微波下蒸发时其周围有更大的蒸汽压;实验发现,环形组装结构更趋于规整,并且蒸发过程中液滴环境蒸汽压如果接近饱和蒸汽压,微米级的环之间会形成纳米环;基于液滴半月而区域内的“滞流”原理,我们分析了这种纳米环的成因。  4.利用微波辅助蒸发自组装得到的纳米银颗粒组装结构,测其电学性质。伏安特性响应表明,这种组装结构具有电阻特性;为进一步降低其电阻率,我们尝试了高功率下对其进行微波烧结,结果表明微波辅助蒸发自组装结合微波烧结,有望一步制造基于电学性质的生物大分子、化学分子以及气体的微纳传感器。
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