基于超分子组装原理二维层状蛭石剥离与组装机理研究

Layered materials, possessing excellent properties of anisotropy and controlled micro-nano structure, have become an advanced research hotspot in the field of nano functional materials. Vermiculite is non-metallic minerals with China's Xinjiang characteristic, and is also a typical lamellar structure material. The interlayer molecules of vermiculite are regulated to increase the rate of vermiculite expansion, studying the mechanism of expansion. Through top-down stripping, two-dimensional nano vermiculite flake could be prepared, and stripping mechanism and Nano effect was studied. Through bottom-up supramolecular controlled assembly as the guidance of light, electricity, magnetic material, three dimensional macro with specific structure material could be constructed using the two-dimensional vermiculite nano layer as the basic structural unit, and the assemble mechanism was studied. This study can make people to realize vermiculite layer materials from the angle of the micro, which can create more new materials. This research could lay the solid foundation to promote efficient development and utilization of Xinjiang's vermiculite.

层状材料具有各项异性与微纳结构可控的优异性能，目前是新型纳米功能材料领域的国际热点。蛭石是我国新疆特色非金属矿产，也是典型的层状结构材料。本项目拟通过调控蛭石层间离子的构成，提高蛭石的膨胀率，研究膨胀机理；通过自上而下的剥离，制备单层或少层的二维纳米蛭石片层，研究剥离机理，探索纳米效应与小尺寸效应；以这些二维纳米片层作为基本结构单元，并以新型光、电、磁等功能材料为导向，进行自下而上的超分子精准可控组装，构筑出具有特定结构的三维宏观体材料，研究组装机制。对蛭石的剥离、二维蛭石纳米片与具有发光变色分子的重组装以及三维组装体的结构与性能系统性研究，能够使人们从微观的角度去认识蛭石层状材料，更深入地掌握蛭石层状材料的基本结构单元——二维纳米材料的结构性质，更能创造出新材料。通过本研究定能为促进新疆丰富蛭石资源的高效开发和利用奠定坚实基础。

蛭石是自然界中最具代表性的一类层状粘土化合物，具有可控微纳结构和各项异性，在工农业领域具有广泛应用。新疆是世界上的第二大产区，也是我国有较好资源远景和潜在优势的非金属矿产之一，但是传统粗放式加工手段，以原矿蛭石出口和膨胀蛭石应用为主，蛭石资源有效利用的产业链尚未建立，基于层状蛭石材料的深加工和高精尖产品亟待开发。本项目以蛭石为研究对象，基于晶体化学和纳米技术原理，剥离制备蛭石纳米片，并通过层层超分子组装制备超薄荧光薄膜，主要开展了以下方面的研究工作：（1）发现钾离子和水热处理能够显著提高蛭石的膨胀率，通过层间水分子和离子调控以及高温高压处理等手段，使蛭石膨胀率提高6倍以上，揭示了层状蛭石离子调控膨胀机理；（2）通过自上而下的剥离制备了小尺寸的纳米蛭石片层，进一步通过机械剪切实现了结构完整蛭石纳米片的可控制备，通过离心分级获得大小均一的蛭石片胶体溶液，纳米片尺寸控制在500纳米左右，系统研究了蛭石纳米片剥离机理；（3）以蛭石片为基本结构单元，通过自下而上的超分子精准可控组装构筑了具有特定功能的三维宏观材料。利用层层组装和PDDA改性的方式，实现了带负电性碲化镉量子点带和负电的蛭石纳米片组装，构筑的超薄膜实现了固体量子点发光，而且提高了荧光寿命，解决了传统量子点发光材料易团聚或聚集的问题。本项目执行期间，出版蛭石复合材料专著1部、发表学术论文17篇，授权国内外发明专利15项和实用新型专利10项，省部级科学技术奖1项、省部级优秀论文1篇、创业大赛优胜奖1项。本项目研究结果不仅为层状矿物材料剥离提供了一种简便有效的方法，也为高附加值蛭石复合功能材料的开发与应用奠定了基础。