瞬时纳米沉淀法可控制备纳米银及其颗粒生长规律的SAXS研究

Aiming at saving the general problem of uncontrollable size and size distribution of silver nano-particles during preparation, multi-inlet vortex mixer will be designed and prepared by ourself. Silver nano-particles with controlled size will be prepared by using flush nano-precipitation method coupling the chemical reaction and macromolecular assembly. By means of in-situ observation of small angle X-ray scattering, the nucleation and growth of metal nano-particles as well as their particle size controlling mechanisum will be explored. First of all, biocompatible modifed starch surfactant will be synthesized by click reaction. Then, the growth of nano-particles will be controlled due to the assembly on the particle surface by starch surfactants. Multi-inlet vortex mixer can realize the instantaneous mixing of many components of raw materials, and thus the homogeneous nucleation and controllable growth of silver nano-particles. Using the small angle X-ray scattering in Shanghai Synchrotron Radiation Facility, the growth of silve nano-particles under varous process parameters will be investigated in-situ in the outlet of multi-inlet vortex mixer. Finally, using CFD simulation combining with the thermodynamic modeling, the operating parameters and the design of muli-inlet vortex mixer will be optimized. A novel way to prepare silve nano-particles is presented in this project. Combining with the small angle X-ray scattering, a new way of reavealing metal nano-particle nucleation and growth mechanism will be provided, which lays the foundation for controllable preparation of silve nano-particle applications and their applications in catalysis, sensor, sterilization and imaging.

针对纳米银制备过程中粒径大小尤其是粒径分布不易控制的普遍问题，本项目利用自行设计和制备的多通道涡流混合器，通过化学反应和大分子组装相耦合的瞬时纳米沉淀法，制备粒径大小及分布可控的纳米银，并利用小角X光光散射的在线观测，探索纳米金属成核和生长的规律以及粒径调控机理。首先通过点击反应制备生物相容性的改性淀粉表面活性剂，然后利用它们在银纳米粒子表面的组装，控制粒子的生长。多通道涡流混合器可以让多原料组分瞬间均匀混合，实现纳米银的均匀成核和可控生长，利用上海光源的小角X光光散射装置，可在多通道涡流混合器的出口原位研究纳米银在不同工艺参数下的生长规律。最后采用CFD模拟并结合热力学参数建模，优化操作参数及多通道涡流混合器的设计。项目提出了制备纳米银的新方法，结合小角X光光散射技术能为揭示纳米金属粒子的成核和生长机理提供新思路，从而为纳米银的可控制备及其在催化、传感器、杀菌和造影等领域的应用奠定基础。

纳米金属材料在催化、传感器、电子器件、医用造影、涂料及许多功能材料领域具有不可替代的重要应用价值。然而，纳米金属的特性及应用取决于粒子的形貌、尺寸、组成、结晶性等结构因素，尤其是粒子的大小和粒径分布。研究纳米金属的生长机制和形态转变机理，实现对纳米结构的尺寸和形貌控制意义重大，也是材料领域的研究热点。瞬时纳米沉淀法是一种制备纳米粒子的新方法。该方法利用多通道涡流混合器（Multi-Inlet Vortex Mixer，简称 MIVM），以表面活性剂或两亲性嵌段共聚物作为稳定剂，将非水溶性物质包裹在内部，制备出装载有非水溶性物质的水溶性纳米粒子。MIVM中物质的混合时间极短，制备出的纳米粒子粒径大小可控、分布均匀。将该方法应用于金属纳米粒子的制备，可以通过参数的调节控制纳米粒子的成核和生长，从而制得结构可控的理想纳米金属粒子。.本项目在成功设计开发完全透明可视MIVM的基础上，利用CFD软件模拟优化参数，采用不锈钢材料以提高其耐压性，得到了不同流道尺寸的系列MIVM。我们合成了一系列嵌段共聚物作为表面活性剂，选用脂溶性药物β-胡萝卜素作为模型药物用以探究不同条件下MIVM对制备纳米粒子的影响。将聚集诱导荧光物质（AIE）封装在纳米粒子中，通过荧光测试进一步证明了条件的变化可以有效调控AIE的聚集程度。利用顺时纳米沉淀法成功制备了粒径在3 nm左右的粒径分布很窄的纳米银和金颗粒，并系统研究了制备条件对纳米金属粒子大小和粒径分布的影响。.我们利用欧洲同步辐射中心的时间分辨SAXS和上海光源的SAXS线站，研究了牛血清吸附到球形聚电解质刷的动态过程，并初步探索了在球形电解质刷中纳米银粒子的成核、生长规律，为设计和制备指定粒径和分散度的纳米粒子奠定了理论基础。此外，还制备了表面活性剂包覆的药物、农药和荧光纳米粒子，并研究了这些粒子在药物控释和农业领域的应用。通过本项目的成功实施，共发表标注项目资助的SCI收录论文44篇，中文核心期刊论文两篇，获得授权专利一项，圆满完成了计划书中的各项任务。