有机小分子纳米材料自组装、二次生长以及石墨烯的应用

Nanoscience and nanotechnology, as an important part of the national science and technology innovation, have attracted more and more attentions. With the development of nanoscience and nanotechnology,the study on the uniformity and the diversity of structure and properties of nanomaterials have become a focus,in which the preparation of morphology-and size-controlled monodisperse nanomaterials as well as self-organization (or self-assembly) are one of basic and key problems. The study on organic molecule nanomaterials has become a focus of nanoscience and nanotechnology due to its structural complexity, easy modification and the diverse properties. Only limit achievement, however, was obtained to research on the kinetic theory of the preparation and self-organization of size- and shape-controlled monodisperse organic nanomaterials because of the disadvantages of present preparation methods, until colloid chemical reaction was successfully applied in by us. Based on the previous work and the structure characteristics of graphene, in this project, several kinds of important optoelectronic functional organic molecule system will be firstly chosen. From the point of view of thermodynamics and kinetics, we research on the effect of temperature, concentration, dispersing agent and stabilizer etc. on the nucleation, growth, second growth as well as self organization. On the basis of the above experiments, theoretical calculations and molecular crystal structure, the mechanism of the preparation of organic monodisperse size-and shape-controlled nanomaterials will be further studied for the development of novel optoelectronic devices.

纳米科技，作为国家科技创新的一个重要组成部分，引起人们越来越多的关注。随着纳米科技的深入发展，纳米材料的规则性、结构性能多样性成为纳米研究的热点与核心问题，而单分散、形貌尺寸等可控的纳米材料规模制备与自组装则成为其中一个基础与重点。有机小分子由于结构复杂性、易修饰性、性能多样性等特点，其纳米结构的研究成为纳米科技的一个焦点，但其单分散、尺寸形貌可控的制备动力学及自组装研究，由于制备方法的限制，仅取得了有限的成果，直至液相化学反应法被我们提出。本项目中，我们将基于前期工作并结合石墨烯的结构特点，筛选几类重要的光电功能有机分子体系，从热力学与动力学的角度出发，研究温度、浓度、分散剂、稳定剂等对单分散有机纳米晶体从形核、生长、自组装及二次生长整个过程的影响与控制。在实验基础上进一步结合理论计算和分子晶体结构，对有机小分子纳米材料制备中的调控机制进行深入探索，为新型光电器件的开发奠定基础。

多功能化、小型化、高效化、节能环保等要求是众多高新技术领域发展的重要发展方向，也正是纳米科技发展的驱动力。相对于无机材料，有机小分子的结构多样化、易修饰、易剪裁，使其纳米材料表现出不同的尺寸形貌依赖性与变化规律，也决定了它有潜力在纳米科技实际应用中占有重要的地位。然而，有机小分子纳米材料，无论是制备方法还是结果，相对于无机纳米材料依然面临巨大挑战。就有机小分子纳米材料本身而言，小于100 nm零维纳米晶体制备，厚度小于10 nm的超薄三维、非层状晶体材料制备，纳米晶体制备中的自组装等始终是有机小分子纳米材料制备中的难题。液相化学反应法已广泛应用与无机纳米材料制备中，虽然我们首次将其应用于有机小分子纳米材料制备中，但其应用依然面临诸多问题。在该项目中，我们基于液相化学反应法，分别以平面型稠环类、金属卟啉及金属酞菁有机功能小分子为研究对象，从晶体热力学与动力学生长的角度出发，深入地研究了化学反应法在有机小分子纳米材料制备中的应用，系统地研究了温度、浓度、分散剂、稳定剂等对有机小分子纳米晶体从形核、生长、自组装及二次生长整个过程的影响。在实验中，我们制备出不同尺寸、形貌与结构（晶型、自组装与复合结构）的纳米晶体，并突破了小于100 nm零维纳米晶体制备，实现了50 nm锌卟啉纳米晶体制备；突破了厚度小于10 nm的超薄三维、非层状晶体材料制备，实现了厚度在6~8 nm超薄苝纳米片的制备，且宽/厚比大于200；基于经典层层二维晶体生长机理，实现了锌卟啉二维纳米晶体的制备及制备中的自组装，阐明了稳定剂与目标分子之间的作用力在自组装过程的重要性。此外，基于液相化学反应法，我们初步探索了石墨烯材料在有机小分子纳米晶体制备及复合中的应用。在实验中我们发现：石墨烯聚有机小分子纳米材料之间具有较强的作用力，易生成层状复合材料；证实了石墨烯作为掺杂或模版时，可以有效地降低纳米材料制备中的形核过程中的形核势垒与结晶势垒，有利于超微纳米晶体制备。并且，在一定条件下，石墨烯可促使核沿着二维平面生长，实现超薄纳米材料制备。上述成果为进一步深入研究基于液相化学反应的有机小分子超薄材料、自组装纳米材料及复合纳米的制备开辟了新的道路，为它们随后在光电、催化等领域的基础应用研究奠定了基础。