專利名稱：毛細吸引下的膠體微球自組織及二維、三維膠體晶體制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膠體微球的自組織及膠體晶體材料的制備，就是通過毛細吸引將單分散聚苯乙烯膠體微球的懸濁液自發(fā)地吸入微通道內(nèi)，通過微通道內(nèi)的自組裝過程制備二維、三維膠體晶體的方法。
一般地，膠體微球的尺寸在微米或者亞微米量級，直接采用人工操作對微球進行移動而將它們排列成三維密堆結(jié)構(gòu)，不僅難度大，而且效率低。現(xiàn)有多種技術(shù)能將膠體微球組裝成膠體晶體。這些制備技術(shù)往往借助于膠體微球在某些特定作用力下所發(fā)生的自組裝過程?？偨Y(jié)起來，這些方法可以分為重力驅(qū)動下的沉積，靜電排斥自組織、外加電場誘導(dǎo)沉積，壓模技術(shù)，垂直沉積技術(shù)等等。


圖1A顯示了純粹在重力場作用的下的沉積示意圖，參見K.E.Davis，W.B.Russel，W.J.Glantschnig，Sicence 1989，245，507。得到的膠體晶體中往往含有較多的點或者面缺陷的多晶，晶體的厚度難于控制，制備周期較長。也不適用于那些自身重力大于在懸浮液中的浮力的膠體微球。
靜電排斥自組織獲得膠體晶體組裝方法是依靠帶電微球之間的靜電排斥力而形成有序的結(jié)構(gòu)，參見N.Ise，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1986，25，323。這種方法除了要求微球帶電外，這種方法要求嚴(yán)格控制懸濁液中的膠體濃度，否則得到的很可能是體心立方、面心立方或者無序相中的混合相。與重力沉積方法一樣，這種方法對擾動敏感。
外加電場誘導(dǎo)沉積要求膠體微球的表面帶上相當(dāng)量的電荷，對電場的強度要求精確控制。
圖1B為壓模技術(shù)的示意圖，參見Y.Xia，B.Gates，Y.Yin，Y.Lu，Adv.Mater.2002，12 693。該技術(shù)的優(yōu)點是可以應(yīng)用于中性球；能夠獲得大面積的、厚度可控的膠體晶體；對微球的尺寸原則上沒有限制。但對于尺寸特別小的微球，由于其壓模牽涉到光刻技術(shù)，難度相應(yīng)增大。
圖1C顯示了垂直沉積方法的示意圖，參見“Self assembly lights up，”J.D.Joannopoulos，Nature，2001，414，257。與前面的技術(shù)相比，更易制備出大面積、高質(zhì)量的單疇膠體晶體。但這種技術(shù)對周圍的氣氛要求特別高，對外界擾動也非常敏感。稍有擾動即可能得到的是含有大量缺陷的、甚至局部無序的膠體晶體。
本發(fā)明設(shè)有一個微小通道，以此通道內(nèi)的毛細吸引，從而在通道內(nèi)膠體微球自組織形成有序二維、三維膠體晶體結(jié)構(gòu)。微小通道是一個簿片狀通道。
發(fā)明采用了通過在兩個平片如玻璃片之間放置間隔物，形成一個與間隔物厚度相同的微通道；然后將微通道的一端浸入到膠體微球的懸濁液中。微通道內(nèi)水分蒸發(fā)發(fā)生其頂端。為了補償管內(nèi)被蒸發(fā)的水分，懸濁液會從微通道的下端被吸入管內(nèi)，這就形成了一個由下至上的水流運動，同時帶動著膠體微球一起向頂端運動。膠體微球到達頂端后，其運動受到限制。這些微球按照系統(tǒng)能量最低原則最終在微通道的頂端形成密堆結(jié)構(gòu)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間后即可以制備出所需尺寸的單疇膠體晶體。平片亦如玻片、簿片等。
本發(fā)明適用于對任意尺寸的膠體微球；適用于帶電和中性的膠體微球。
本發(fā)明中通過控制微通道內(nèi)間隔物厚度，可以非常方便得精確控制膠體晶體的厚度。
本發(fā)明中給定膠體微球的直徑d、組成膠體晶體層數(shù)N，為了在微通道中不生長出層數(shù)為N+1的膠體晶體，微通道的厚度HN須滿足(63(N-1)+1)d<HN<(63N+1)d.]]>本發(fā)明對周圍氣氛沒有特殊要求；抗干擾性強；對膠體微球懸濁液的濃度無特殊要求。
本發(fā)明技術(shù)工藝簡單，制備周期短，效率高，能制備出大面積的、高質(zhì)量的單疇二維和三維長程有序結(jié)構(gòu)膠體晶體。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)裝置示意圖。夾子1、玻片2、間隔物3、容器4、膠質(zhì)小球懸濁液5、隔層內(nèi)水流運動方向6。小球在上端形成有序的排序結(jié)構(gòu)7。
圖3為本發(fā)明采用直徑1.5微米的單分散聚苯乙烯微球制成的二維膠體晶體的局部區(qū)域掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
圖4為本發(fā)明采用直徑1.5微米的單分散聚苯乙烯微球制成的二維膠體晶體的邊緣區(qū)域SEM照片。
圖5為本發(fā)明采用直徑650納米的單分散聚苯乙烯微球制成的三維膠體晶體表面的SEM照片。
圖6為本發(fā)明采用直徑650納米的單分散聚苯乙烯微球制成的三維膠體晶體的剖面SEM照片。
圖7為本發(fā)明采用直徑500納米的單分散二氧化硅微球制成的三維膠體晶體表面及斷面形貌SEM照片。
本發(fā)明首先是選取一個波片作為襯底，將其平放。然后將兩個完全相同的、具有一定厚度的分隔物平行放置在波片上。再在其上覆蓋一個同樣大小的波片。最后在保持兩個波片的相對位置下，將它們固定起來。
本發(fā)明中的分隔物可以是圓柱型或者橫切面為矩形的介質(zhì)棒，如圖2所示。間隔物的材料選取能承受一定擠壓而不變形的介質(zhì)材料。夾子1用以固定兩個玻片2、間隔物3、容器4裝膠質(zhì)小球懸濁液5。隔層內(nèi)水流運動方向帶動小球一起運動，水分從玻片上端開始蒸發(fā)，同時小球在上端形成有序的排序結(jié)構(gòu)，水從玻片下端進入隔層去補償從上端蒸發(fā)的水分，與此同時，懸濁液中的小球也被帶入了隔層內(nèi)。
本發(fā)明也可以采用單分散的二氧化硅球作為間隔物。兩個波片之間的距離等于二氧化硅球直徑。
本發(fā)明將制備好的微通道的一端浸入到配置好的膠體微球懸濁液中。在膠體生長到所需要的尺寸后，將微通道從懸濁液中提出。最終制備出大面積的單疇的膠體晶體。
本發(fā)明在膠體晶體生長的過程中對膠體懸濁液同時實施攪拌，這樣可防止在晶體長時間生長過程中膠體微球沉積到懸濁液的底部。
本發(fā)明中膠體晶體是在兩個相對位置固定的襯底之間形成的微通道內(nèi)生長的。本發(fā)明中懸濁液的攪動不影響晶體的生長。
作為制備二維膠體晶體的例子，在兩個玻片(尺寸為1.6cm×2.5cm)之間采用二氧化硅球(直徑為1.8微米)作為間隔物，用兩個夾子夾住玻片兩側(cè)，形成一個厚度為1.8微米微通道。配制膠體微球懸濁液為15mL，放入容量為20mL的坩堝內(nèi)，進行磁攪拌。聚苯乙烯微球直徑為1.5微米。晶體生長時間為8小時。
圖3是本發(fā)明采用直徑1.5微米聚苯乙烯微球制成的二維膠體晶體的中間局部區(qū)域SEM照片。聚苯乙烯微球排列成高度有序的六角密堆結(jié)構(gòu)。
圖4為本發(fā)明采用直徑1.5微米聚苯乙烯微球制成的二維膠體晶體邊緣局部區(qū)域SEM照片。從圖中證實是單層的、二維周期有序結(jié)構(gòu)晶體。
作為制備三維膠體晶體的例子，在兩個玻片(尺寸為1.6cm×2.5cm)之間采用二氧化硅球(直徑為1.8微米)作為間隔物，用兩個夾子夾住玻片兩側(cè)，形成一個厚度為1.8微米微通道。配制膠體微球懸濁液為15mL，放入容量為20mL的坩堝內(nèi)，進行磁攪拌。聚苯乙烯膠體微球直徑為650納米。晶體生長時間為12小時。
圖5本發(fā)明采用直徑為650納米的聚苯乙烯微球制成的三維膠體晶體表面的SEM照片?？梢钥闯鑫⑶蛟诒砻媾帕谐捎行蚪Y(jié)構(gòu)。
圖6是發(fā)明采用直徑為650納米的聚苯乙烯微球制成的三維膠體晶體的剖面SEM觀測結(jié)果?？煽吹竭@個晶體有三層，在斷面上的排列同樣是長程有序的，證明本發(fā)明制備的三維膠體晶體內(nèi)部排列長程有序性。
作為制備三維膠體晶體的例子，在兩個玻片(尺寸為1.6cm×2.5cm)之間采用厚度為9.0微米的間隔物，形成的微通道。圖7是發(fā)明采用直徑為500納米的二氧化硅微球制成的三維膠體晶體的表面和斷面SEM觀測結(jié)果?？煽吹竭@個晶體有24層，斷面上的長程有序表明本發(fā)明制備的三維膠體晶體內(nèi)部排列長程有序性。
權(quán)利要求
1.一種毛細吸引下的膠體微球自組織及二維、三維膠體晶體的制備方法，其特征是設(shè)有一個微小通道，以此通道內(nèi)的毛細吸引，從而在通道內(nèi)膠體微球自組織形成有序二維、三維膠體晶體結(jié)構(gòu)。
2.由權(quán)利要求1所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是微通道是一個簿片狀通道。
3.由權(quán)利要求1或2所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是采用圓柱形或者橫截面為矩形的介質(zhì)棒，平行放置在兩個平整襯底之間，形成的毛細通道。
4.由權(quán)利要求1或2所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是采用單分散介質(zhì)球作為間隔物，放置在兩個平整襯底之間，形成毛細通道。
5.由權(quán)利要求2或3所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是將毛細通道浸入到微球懸濁液中，利用通道內(nèi)毛細吸引力將懸濁液吸入到微通道內(nèi)。膠體晶體在微通道內(nèi)部液柱的頂端通過自組織過程生長。
6.由權(quán)利要求5所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是在晶體生長過程中對膠體微球懸濁液進行攪拌，使得晶體生長過程中懸濁液的膠體濃度處于均勻狀態(tài)。
7.由權(quán)利要求5或6所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是通過調(diào)節(jié)微通道的厚度來控制膠體晶體的厚度。
8.由權(quán)利要求1或2所述的二維和三維膠體晶體的制備方法，其特征是生長聚苯乙烯膠體微球、二氧化硅膠體微球和各種復(fù)合介電體膠體微球。
9.由權(quán)利要求7所述的二維和三維膠體晶體制備方法，其特征是膠體微球直徑d、膠體晶體內(nèi)微球的層數(shù)N、組成毛細管的兩個襯底之間的間距HN滿足(63(N-1)+1)d<HN<(63N+1)d.]]>
全文摘要
一種毛細吸引下的膠體微球自組織及二維、三維膠體晶體的制備方法，設(shè)有一個微小通道，以此通道內(nèi)的毛細吸引，從而在通道內(nèi)膠體微球自組織形成有序二維、三維膠體晶體結(jié)構(gòu)。微通道是一個簿片狀通道。采用圓柱形或者橫截面為矩形的介質(zhì)棒，平行放置在兩個平整襯底之間，形成的毛細通道。本發(fā)明對周圍氣氛沒有特殊要求；抗干擾性強；對膠體微球懸濁液的濃度無特殊要求。本發(fā)明技術(shù)工藝簡單，制備周期短，效率高，能制備出大面積的、高質(zhì)量的單疇二維和三維長程有序結(jié)構(gòu)膠體晶體。
文檔編號B01J13/00GK1470319SQ03131989
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月25日
發(fā)明者王振林, 陳卓, 詹鵬, 章建輝, 章維益, 王慧田, 閔乃本 申請人:南京大學(xué)