电场调控下聚合物-纳米棒嵌段体的取向控制及大面积定向组装

Polymer-b-nanorod analogues are recently considered as new functional building blocks to fabricate well-ordered assemblies with hierarchical structures due to their excellent properties and block polymer-like structures, which have numerous potential applications in many fields, such as optical devices, microelectronics, etc. However, random orientation, morphological polydispersity and structural defects of the assemblies are inevitable due to existence of many metastable states in the system and high energy barriers which arise from rodlike structure, and limit their applications in many fields. Previously, the electric field has been reported which can effectively tune the orientaion of nanorods. However, it still needs further systematic investigation of the assembly behavior and mechanism of polymer-b-nanorods analogues in the presence of electric field. In this project, we intend to investigate assembly behavior (orientation) of polymer-b-nanorods analogues and driving force (mechanism) responsible for formation of such anisotropic structures in the presence of electric field. In addition, we also intend to fabricate the large-area directed-assembly of polymer-b-nanorods analogues by combining(coupling) the oil/water interfacial assembly and electric field induction strategies, and we will also investigate their influence on the properties and structures of the assemblies. The findings will facilitate the development and application of organic-inorganic hybrid materials.

聚合物-纳米棒嵌段体兼具聚合物和纳米棒两者优势，是一种多功能的新型组装基元，利用其类嵌段共聚物性质可构筑多级有序的组装体，有望用于光学器件、微电子器件等多个领域。然而，体系中普遍存在的亚稳态和棒状结构引起的高能垒，使组装体常呈现取向无序、形貌多分散等结构缺陷，限制了组装体各向异性特征的实现和应用的拓展。电场调控有望解决上述问题，但嵌段体在电场作用下的组装行为和机理尚不明确。基于此，本项目将聚焦于嵌段体“软硬”兼具的类嵌段共聚物性质对自身组装行为的影响，揭示电场作用下嵌段体有序组装的驱动力及其物理机制。在此基础上，采用油/水界面组装与电场调控联用的方式来实现嵌段体的大面积定向组装，并进一步探索组装体结构与其光学、电学性能之间的对应关系。本项目的顺利实施不仅对理解嵌段体“软硬”兼具的特殊结构与其自身组装行为间的关系有着重要意义，还将为有机-无机杂化材料的开发和应用提供理论和实验依据。

聚合物-纳米粒子嵌段体由“软性”的聚合物链与“硬性”的纳米粒子两部分组成，有别与其他类型的纳米粒子，此类嵌段体可模仿嵌段聚合物实现自组装，但这种“软硬兼具”的组装基元的组装行为更为复杂，需要深入探索。本项目首先研究了电场作用下聚合物链长，纳米棒尺寸 的影响，揭示了聚合物链长与纳米棒尺寸相对关系对聚合物-纳米棒组装行为以及纳米棒取向方向的影响作用。并且针对这一研究结果，进一步设计并发展了一种接枝区域可控的纳米棒表面修饰方法学。我们还研究了聚合物-纳米粒子这种“软硬兼具”特性对于自身二元超晶格组装行为以及与嵌段聚合物超分子协同组装行为的影响。研究结果表明，随着聚合物链段长度与纳米粒子尺寸的相对变化，嵌段体的自组装行为将分别由聚合物链段或纳米粒子主导，因此在不同组装体系中，嵌段体呈现不同自组装行为。其次，利用油/水界面组装制备了厘米级，非紧密堆积的聚苯乙烯-纳米粒子超晶格单层膜，并将该材料用于制备纳米浮栅存储器，研究了材料结构参数（纳米粒子间距、材料厚度）对存储器性能表现的影响。结果表明，相较于传统纳米浮栅存储器中所使用的无序排列的纳米浮栅层，其存储开关比、存储容量、数据维持能力、存储器反复擦写寿命等参数都有着极为明显的提高，数据维持时间理论上可达10年以上。我们还使用该材料作为基底材料用于表面增强拉曼散射检测，研究了纳米粒子间距与拉曼增强系数之间的对应关系。此外，我们基于聚苯乙烯-金纳米粒子超晶格单层膜材料进一步发展了一种双配体Janus纳米粒子的制备策略，可以实现两种配体比例的有效调控。本项目深入研究并揭示了聚合物-纳米粒子嵌段体在电场诱导组装等不同的组装体系中的组装行为，研究结果有助于理解“软硬”两部分在自组装过程中的作用，对于制备高度有序聚合物纳米粒子复合材料有着重要意义。