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長度和組成精確可控的多組分多尺度多功能納米纖維研究獲進展

2020-05-29 上海有機化學研究所
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  π-共軛結構聚合物在電致發光材料、場效應晶體管等領域具有廣闊應用前景,而π-共軛纖維狀納米結構有利于增強π-共軛結構的相關性能。具有精確結構的多組分、多尺度、多功能構筑基元是實現器件輕型化和智能化的先決條件,目前構筑長度和組成精確可控的多組分、多尺度、多功能π-共軛聚合物基納米纖維仍是一個巨大的挑戰。

  中國科學院上海有機化學研究所有機功能分子合成與組裝化學重點實驗室黃曉宇課題組,近年來一直致力于發展高效簡便的策略構建具有精確結構和功能π-共軛對苯撐乙烯撐寡聚物(oligo(p-phenylenevinylene), OPV)基納米纖維,并取得了一系列研究成果(J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 7136; Macromolecules 2018, 51, 2065; Langmuir 2019, 35, 3134; Polym. Chem. 2019, 10, 4718; J. Colloid Interface Sci. 2020, 560, 50; Macromolecules 2020, 53, 1831)。在前期研究基礎上,他們將非共價作用和活性結晶驅動自組裝相結合,以聚2-乙烯基吡啶(poly(2-vinylpyridine), P2VP)作為再功能化的錨點,發展了多組分、多尺度和多功能共軛纖維狀納米結構的精確構筑及選擇性功能化的新策略。該工作近日以研究論文(Research Article)的形式發表(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8232)。

  他們首先利用溫度誘導的自晶種”(self-seeding)策略,通過改變退火溫度,精確地制備了不同長度以OPV為核、P2VP為殼的單分散納米纖維狀。由于這些纖維兩端裸露的OPV核對后續的含OPV聚合物的外延生長保有活性,他們以其為種子,采用活性種子增長”(seeded growth)策略制備了以OPV為核、P2VP/PNIPAM (poly(N-isopropyl acrylamide),(N-異丙基丙烯酰胺)) 為殼的三嵌段和五嵌段單分散納米纖維狀(1)TEM圖中不同嵌段的色差、AFM圖中不同嵌段的高度差以及種子膠束長度與中間鏈段長度分布的吻合均說明多嵌段納米纖維是通過種子纖維兩端引發結晶增長制得的。所得到的納米纖維中各個嵌段的長度均可利用自晶種策略中退火溫度或種子增長策略中投料比進行精確調控。

  他們以P2VP殼層中吡啶基團為氫鍵受體,通過羧酸與吡啶間氫鍵作用,將表面包覆羧酸、具有光電磁性能的功能納米粒子(CdTe量子點、AuFe3O4納米粒子及聚合物球形膠束)負載在納米纖維表面(2);利用P2VP殼層中吡啶基團與金屬和金屬氧化物間絡合作用,通過原位還原將Ag納米粒子負載于殼層中;通過原位溶膠-凝膠反應,在納米纖維表面原位形成SiO2TiO2(2)。結果表明表面功能化均不會破壞纖維結構的完整性,不會引起纖維膠束斷裂或聚集。

  利用纖維膠束殼層中的PNIPAMP2VP化學性質的顯著差異,他們還實現了對含有不同殼層的多嵌段膠束的P2VP殼層的選擇性功能化(3)。例如,當把表面含有羧酸基團的CdTe量子點加入到以OPV為核、中間和兩端殼層分別為P2VPPNIPAM的三嵌段纖維狀納米纖維中后,所加入的CdTe量子點僅僅負載在中段P2VP殼層中,兩端的PNIPAM殼層中幾乎沒有CdTe量子點。

  該工作為利用非共價作用和活性結晶驅動自組裝構筑結構和功能精確可控多組分、多層次和多功能π-共軛聚合物基納米纖維材料提供了一個高效的普適性策略。上海有機所博士陶大燎和博士生王志琴是該文共同第一作者,上海有機所為第一通訊單位。上海有機所研究員黃曉宇、副研究員馮純以及加拿大多倫多大學教授Mitchell Winnik為共同通訊作者。

  上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家杰出青年科學基金、中科院戰略性先導科技專項(B)、中科院青年創新促進會和上海市科委的資助。

  1. M(OPV5-b-PNIPAM49)-b-M(OPV5-b-P2VP44)--b-M(OPV5-b-PNIPAM49) A-B-A三嵌段納米纖維的TEM圖:(A) nunimer/nseed = (A) 2.26(B) 4.52(C) 三嵌段納米纖維的長度與投料比(nunimer/nseed)的關系圖。(D) 三嵌段納米纖維中間嵌段和所用種子膠束的長度分布圖。三嵌段纖維膠束的(E)AFM圖以及沿圖中紅線的(F)高度圖。以長度分別為26 nm (G)177 nm (H)OPV5-b-P2VP44纖維膠束為種子制備的三嵌段納米纖維的TEM圖。(J) 利用種子增長策略制備A-B-AB-A-B-A-B多嵌段纖維膠束示意圖。

  2. 表面負載有CdTe納米粒子的長纖維(A)以及長度為766 nm單分散納米纖維(B)TEM圖;表面負載Fe3O4納米粒子(C)、聚合物納米粒子(D)Ag納米粒子(E)以及TiO2(F)的納米纖維的TEM圖。(G)表面負載Fe3O4納米粒子納米纖維溶液磁分離前后的照片。(H)P2VP為錨點負載不同類型納米粒子的示意圖。

  3. (A)(B)(C)中間為P2VP層選擇性負載CdTe納米粒子的A-B-A三嵌段納米纖維(M(OPV5-b-PNIPAM49)-b-M(OPV5-b-P2VP44)-b-M(OPV5-b-PNIPAM49))TEM圖。(D) 利用P2VP作為氫鍵受體實現三嵌段納米纖維選擇性負載的示意圖。

打印 責任編輯:葉瑞優

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