專利名稱：膠體光子晶體自組裝制備及其提高機械穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種以液滴為模板通過膠體自組裝制備三維膠體光子晶體 及提髙三維膠體光子晶體機械穩(wěn)定性方法。
背景技術(shù)：
膠體晶體是由單分散的微米或亞微米無機或有機顆粒(也稱膠體粒子)形成 的具有三維有序結(jié)構(gòu)的一類物質(zhì)。由于膠體粒子的長程有序排列使膠體光子晶體 產(chǎn)生了光子帶隙，所以也稱其為膠體光子晶體。膠體光子晶體的三維有序結(jié)構(gòu)，
其重復(fù)周期在微米、亞微米量級，可見光(400 700nm)可在其中發(fā)生布拉格衍射 (Bragg diffraction)。膠體粒子的長程有序排列使膠體光子晶體產(chǎn)生了諸如光衍 射和光帶隙、最大堆積密度、高表面一體積比等極具應(yīng)用價值的特性。由于膠體 光子晶體的衍射光學(xué)特性，使其作為一類光子晶體在濾光器和光開關(guān)、高密度磁 性數(shù)據(jù)存儲器件、化學(xué)和生物傳感等方面具有重要的應(yīng)用前景。此外膠體光子晶 體可以作為模板制備具有完全光子帶隙的有序多孔結(jié)構(gòu)，這種有規(guī)則排列的介觀 多孔材料在催化、吸附和分離等方面也具有重要的應(yīng)用價值。目前膠體光子晶體 的制備主要通過膠體粒子自組裝的方法，例如膠體粒子沉降自組裝，利用膠體 粒子的沉降作用組裝在容器的底部；空間限制膠體粒子自組裝，利用空間限制使 膠體粒子自組裝在兩個平面之間的空隙內(nèi)；靜電作用膠體粒子自組裝，利用靜電 作用將膠體粒子組裝在容器內(nèi)；毛細作用膠體粒子自組裝，利用毛細管作用力使 膠體粒子組裝在基片的表面等。但是，這些方法制備的三維膠體光子晶體基本上 都是膜結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用過程中，有兩個主要原因限制了三維膠體光子晶體膜的 應(yīng)用。第一， 一些應(yīng)用例如生物分子載體偏好球形形狀， 一些各向異性光學(xué)器件 需要環(huán)形形狀等，薄膜形狀的膠體光子晶體膜不能滿足要求。第二，通過膠體粒 子自組裝方法制備膠體晶體必須有固相模板或者基片支撐，膠體晶體脫離了基片 或者模板難以自支撐或者保持原形,而且得到的膠體晶體由于內(nèi)部依靠膠體粒子之間的范德華力聯(lián)結(jié)在一起，所以其機械穩(wěn)定性有限，在脫離模板自支撐的狀態(tài) 下，極容易在晶體缺陷處或者在外力作用下?lián)p壞。因此，膠體晶體應(yīng)用范圍的擴 大需要新的制備以及提高穩(wěn)定性的方法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種膠體光子晶體自組裝制備及其提高機 械穩(wěn)定性的方法，利用該方法可以制備球形膠體光子晶體，而且膠體光子晶體的 機械穩(wěn)定性高，滿足實際操作與應(yīng)用的要求。
技術(shù)方案本發(fā)明的膠體光子晶體自組裝制備方法將膠體粒子溶液分散到 連續(xù)相中形成膠體溶液液滴,通過液滴中溶劑的蒸發(fā)其中的膠體粒子以液滴為模 板自組裝成為膠體光子晶體,通過加熱處理使晶體內(nèi)膠體粒子相互粘接來大大提 高光子晶體的機械穩(wěn)定性。
所述的膠體粒子是單分散的二氧化硅粒子、氧化鋅粒子、金粒子、二氧化鈦 粒子中的一種；或是單分散聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子、聚吡咯粒子、 聚苯胺粒子中的一種；或是單分散核殼結(jié)構(gòu)的金包二氧化硅粒子、聚苯乙烯包二 氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅 粒子中的一種。所述的膠體粒子溶液為分散相，分散到連續(xù)相中形成膠體粒子溶 液液滴，分散方法釆用均質(zhì)法、或超聲法、或液滴發(fā)生器法。所述的以液滴為模 板自組裝成的膠體光子晶體為球形、或為橢球形、或為圓環(huán)形。
提高自組裝制備膠體光子晶體機械穩(wěn)定性方法為所述的膠體晶體的機械穩(wěn) 定性通過加熱處理使膠體粒子之間形成粘接而提高;對于二氧化硅粒子組裝的膠 體晶體微球，加熱處理溫度為70(TC-110(TC;對于聚苯乙烯粒子、聚吡咯粒子、 聚甲基丙烯酸甲酯粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫度為10(TC 130。C; 對于聚酰胺粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫度為200'C 400'C;對于二 氧化鈦粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫度為150(TC 200(TC;對于金納 米粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為30(rC 100(TC;對于氧化鋅粒 子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為1800'C 2500'C;對于金包二氧化 硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為30(TC 100(TC;對于聚苯乙烯 包二氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱 處理的溫度為10(TC 150'C;對于聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為100'C 130'C。所用的加熱處理方法，使用烘 箱、馬弗爐，或在加熱過程中施加氮氣保護。 有益效果
1. 以液滴為模板進行膠體粒子的自組裝得到的膠體晶體為自支撐結(jié)構(gòu)，膠 體晶體與模板之間為軟連接，洗去膠體晶體表面的連續(xù)相溶液就可以使 膠體晶體與模板脫離，簡單易行。
2. 以液滴為模板制備所得到的膠體光子晶體為球形結(jié)構(gòu)，比表面積高，滿 足特殊使用的要求，特別適合作為生物分子載體，球形光子晶體可以自 由滾動，在三維方向都可以顯示光子晶體的特性。
3. 以液滴為模板可以很容易的控制所需要的球形膠體光子晶體的大小以及 其均勻度。
4. 以液滴為模板制備膠體晶體，膠體粒子的組裝首先在兩相界面進行，由 于兩相均為液體，所以界面的摩擦力極小，與其他組裝方法相比，得到 的晶體長程有序度更高，晶體表面更少缺陷。
5. 膠體光子晶體在高溫煅燒處理之后，機械穩(wěn)定性大大增加，不會因碰撞 而破碎，因此在實際應(yīng)用過程中可以保持球形，提高了膠體光子晶體的 應(yīng)用質(zhì)量與范圍。


圖1.膠體粒子溶液分散到連續(xù)相中形成的液滴示意圖， 圖2.膠體粒子以液滴為模板自組裝成膠體光子晶體的示意圖， 圖3.以液滴為模板自組裝成膠體光子晶體微球的電鏡照片， 圖4.以液滴為模板自組裝成膠體光子晶體微球表面的電鏡照片， 圖5.煅燒之后高機械穩(wěn)定性膠體光子晶體微球表面的電鏡照片。
具體實施例方式
通過本方法制備的高機械穩(wěn)定性三維膠體光子晶體在大小排阻色譜,催化劑 或者酶載體，吸附介質(zhì)，生物分子檢測載體，濾光片，光開關(guān)，光子紙等方面有 潛在的應(yīng)用價值。本發(fā)明的目的可以通過以下方案來實現(xiàn)
以二氧化硅膠體光子晶體的制備為例，首先將單分散二氧化硅膠體粒子的水溶液(分散相)分散到與之不溶的油相硅油(連續(xù)相)中，使二氧化硅膠體溶液 在硅油中形成液滴。為防止液滴之間相互融合，硅油中可以事先加入適量的乳化 劑斯潘80。液滴形成之后，通過加熱或者自然干燥等方法，膠體溶液中的水會 蒸發(fā)，因此膠體溶液液滴中二氧化硅膠體粒子的濃度逐漸增大。隨著濃度的不斷 增大，溶劑的逐漸減少，膠體粒子通過自組裝作用形成有序的晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié) 構(gòu)符合布拉格衍射定律，因此是一種膠體光子晶體。由于自始至終，膠體粒子的 自組裝都在膠體液滴之中，因此自組裝所形成的晶體為以液滴為模板的球形晶 體。收集所得到的球形膠體光子晶體或者膠體光子晶體微球，用正己垸洗去膠體 光子晶體表面的硅油，然后對二氧化硅膠體光子晶體進行2小時1000'C煅燒處 理，使二氧化硅膠體粒子之間相互粘結(jié)，但不至于完全融合，則可以成倍的提高 膠體光子晶體微球的機械穩(wěn)定性，使其可以承受500大氣壓的壓力。
本發(fā)明是提供一種非常簡單的球形膠體光子晶體自組裝制備方法以及提高 膠體光子晶體機械穩(wěn)定性的方法，簡單易行，實施方便。首先將膠體粒子的溶液 分散到連續(xù)相中形成膠體溶液液滴,通過加熱或者自然干燥的方式使膠體溶液液 滴中的溶劑揮發(fā)，膠體粒子自組裝成球形膠體光子晶體，然后利用熱處理使膠體 粒子之間相互粘結(jié)，增加膠體晶體的機械穩(wěn)定性。
具體實施方式
如下
所述的膠體晶體的機械穩(wěn)定性通過加熱處理使膠體粒子之間形成粘接而提 高；對于二氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫度為700°C-1100'C; 對于聚苯乙烯粒子、聚吡咯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子組裝的膠體晶體微球， 加熱處理溫度為100'C 13(TC;對于聚酰胺粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處 理溫度為200'C 400'C;對于二氧化鈦粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫 度為1500'C 200(TC;對于金納米粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度 為300'C 1000'C;對于氧化鋅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為 1800'C 2500'C;對于金包二氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度 為300'C 1000'C;對于聚苯乙烯包二氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化 硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為10(TC 150'C;對于聚甲基丙 烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為100'C 130 。C。
實施例一二氧化硅膠體光子晶體微球的制備
1.選用粒徑為200納米的二氧化硅膠體粒子的水溶液，粒子濃度為10%;2. 通過液滴發(fā)生裝置將二氧化硅膠體溶液分散到硅油中，形成二氧化硅膠體 溶液液滴；
3. 在90'C條件下，干燥二氧化硅膠體溶液液滴，使其中的水分蒸發(fā)，處理時 間為8小時，得到二氧化硅膠體光子晶體微球；
4. 洗去膠體光子晶體微球表面的硅油，然后1000'C處理2小時，即得到高機 械穩(wěn)定性的膠體光子晶體微球。
實施例二聚苯乙烯膠體光子晶體微球的制備
1. 選用粒徑為260納米的聚苯乙烯膠體粒子的水溶液，粒子濃度為30%;
2. 通過液滴發(fā)生裝置將聚苯乙烯膠體溶液分散到硅油中，形成聚苯乙烯膠體 溶液液滴；
3. 在60'C條件下，干燥聚苯乙烯膠體溶液液滴，使其中的水分蒸發(fā)，處理時 間為24小時，得到聚苯乙烯膠體光子晶體微球；
4. 洗去膠體光子晶體微球表面的硅油，然后11(TC處理2小時，即得到高機 械穩(wěn)定性的膠體光子晶體微球。
實施例三聚甲基丙烯酸甲酯膠體光子晶體微球的制備
1. 選用粒徑為240納米的聚甲基丙烯酸甲酯膠體粒子的水溶液，粒子濃度為
24%;
2. 通過液滴發(fā)生裝置將聚甲基丙烯酸甲酯膠體溶液分散到硅油中，形成聚甲 基丙烯酸甲酯膠體溶液液滴；
3. 在80'C條件下，干燥聚甲基丙烯酸甲酯膠體溶液液滴，使其中的水分蒸發(fā)， 處理時間為12小時，得到聚甲基丙烯酸甲酯膠體光子晶體微球；
4. 洗去膠體光子晶體微球表面的硅油，然后11(TC處理2小時，即得到高機 械穩(wěn)定性的膠體光子晶體微球。
權(quán)利要求
1.一種膠體光子晶體自組裝制備方法，其特征在于將膠體粒子溶液分散到連續(xù)相中形成膠體溶液液滴，通過液滴中溶劑的蒸發(fā)其中的膠體粒子以液滴為模板自組裝成為膠體光子晶體，通過加熱處理使晶體內(nèi)膠體粒子相互粘接來大大提高光子晶體的機械穩(wěn)定性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠體光子晶體自組裝制備方法，其特征在于所述的 膠體粒子是單分散的二氧化硅粒子、氧化鋅粒子、金粒子、二氧化鈦粒子中的一種；或是單分散聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子、聚吡咯粒子、聚苯胺粒 子中的一種；或是單分散核殼結(jié)構(gòu)的金包二氧化硅粒子、聚苯乙烯包二氧化硅粒 子、聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅粒子中的 一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述膠體光子晶體自組裝制備方法，其特征在于所述的膠 體粒子溶液為分散相，分散到連續(xù)相中形成膠體粒子溶液液滴，分散方法采用均 質(zhì)法、或超聲法、或液滴發(fā)生器法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠體光子晶體自組裝制備方法，其特征在于所述的 以液滴為模板自組裝成的膠體光子晶體為球形、或為橢球形、或為圓環(huán)形。
5. —種如權(quán)利要求1所述的提高自組裝制備膠體光子晶體機械穩(wěn)定性方法， 其特征在于所述的膠體晶體的機械穩(wěn)定性通過加熱處理使膠體粒子之間形成粘 接而提高；對于二氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理溫度為70(TC-1100 'C;對于聚苯乙烯粒子、聚吡咯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子組裝的膠體晶體微 球，加熱處理溫度為100'C 130'C;對于聚酰胺粒子組裝的膠體晶體微球，加 熱處理溫度為20(TC 40(TC;對于二氧化鈦粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處 理溫度為1500'C 200(TC;對于金納米粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的 溫度為300'C 100(TC;對于氧化鋅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度 為180(TC 250(TC;對于金包二氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的 溫度為300'C 1000'C;對于聚苯乙烯包二氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二 氧化硅粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為100'C 150'C;對于聚甲 基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子組裝的膠體晶體微球，加熱處理的溫度為10(TC 130'C。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高自組裝制備膠體光子晶體機械穩(wěn)定性方法， 其特征在于所用的加熱處理方法，使用烘箱、馬弗爐，或在加熱過程中施加氮氣 保護。
全文摘要
膠體光子晶體自組裝制備及其提高機械穩(wěn)定性的方法將膠體粒子溶液分散到連續(xù)相中形成膠體溶液液滴，通過液滴中溶劑的蒸發(fā)其中的膠體粒子以液滴為模板自組裝成為膠體光子晶體，光子晶體的機械穩(wěn)定性通過加熱處理使晶體內(nèi)膠體粒子相互粘接來大大提高。通過本方法制備的高機械穩(wěn)定性三維膠體光子晶體在大小排阻色譜，催化劑或者酶載體，吸附介質(zhì)，生物分子檢測載體，濾光片，光開關(guān)，光子紙等方面有潛在的應(yīng)用價值。
文檔編號C30B5/00GK101280455SQ200810019399
公開日2008年10月8日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者靖 扈, 趙文舉, 趙祥偉, 趙遠錦, 顧忠澤 申請人:東南大學(xué)