尺寸易调控的有机微纳晶研究

刘梦宇

（西安海棠职业学院，陕西 西安 710000）

1 纳米材料概述

纳米材料作为一种兴起于20世纪的新型材料，目前仍然是全球科研界的一个研究热点[1-2]。正是因为纳米材料的研究领域和应用领域等方面广受关注，其在材料及其理论研究方面具有划时代的重大意义。随着科学技术的日新月异，人们对物质的基本组成有了更加深入的认识，从宏观领域深入微观领域，经历了分子、原子、电子的研究，人们对物质的认识走到了一个新的起点——介于宏观和微观之间的新领域[3-6]。通常情况下，人们把宏观和微观之间的范畴称为介观系统，这种全新的领域，引起了全世界科学工作者的高度重视。在过去的几十年中，介观系统凭借广阔的应用前景和巨大的发展潜力，推动了纳米材料高速发展，拓展了很多新领域、新方向。

这种新技术最早是诺贝尔物理奖获得者Richard Feyneman提出的，他曾发表过一次非常经典的报告，在那次报告中，他提出了“自下而上”这一概念，认为研究者可以按照自身的实际需要，从材料的基本构成来协调材料的合成。但这一技术受到当时其他技术发展的阻碍，直到1981年扫描隧道显微镜诞生，人们可以直接观察单个原子，使纳米技术的研究有了发展的技术基础。

2 纳米材料的分类

纳米科技是在纳米尺寸级别内，对材料的基本组成进行加工和组装的科技。相对于传统由大到小的制备过程，纳米科技是由小到大的组装过程。根据结构的维数，纳米材料基本可以分为4类：（1）零维（颗粒）；（2）一维（线、棒、 管等）；（3）二维（层状、片状、带状、薄膜等）；（4）三维 （棱柱、花状、空间网状、介孔材料等）。按照具体的研究对象，微纳米材料又可以分为：（1）无机微纳米材料（包括金属和无机半导体）；（2）高分子微纳米材料；（3）有机小分子微纳米材料；（4）有机无机微纳米复合材料。

有机纳米材料通常具有结构和性能的多样性、外观柔韧性、原料廉价易得、易剪裁性等优势，有机微纳晶因此具有良好的研究前景，同时纳米科技的研究范畴也得到了拓展，有机纳米材料成为其必不可少且前景广阔的重要分支。有机材料大体上可以分为3类：高分子材料、生物分子材料（DNA、蛋白质、多肽等）和有机小分子材料。

3 纳米材料的研究现状

目前，有机小分子微纳晶的研究比较少，而且其性能的探索并没有得到足够的重视。一方面原因是，有机分子的低维结构是由范德华力和氢键等比较弱的作用力相互作用而成，并非稳定的化学键。另一方面，有机分子结构的繁多使其性质多种多样，因此，很多传统的理论在很多有机分子的研究方面并不适用，在很大程度上增加了整个有机分子材料研究体系的困难和挑战。与此同时，有机小分子的微纳米结构材料所展现的新功能、特性，赋予了该领域的研究极大的发展潜力和创新意义，也为新理论的提出和旧理论的完善提供了契机。

本研究采用再沉淀法[4-6]制备了一系列不同尺寸的硫甲基取代的聚苯乙烯撑分子有机小尺寸纳米棒。再沉淀法的原理是利用有机物在不同溶剂中不同的溶解度，使其由于溶解度的变化而析出，生长为具有特定聚集形式的微纳结构。具体的操作是将目标分子溶解在溶剂中，再转入不良溶剂体系中，使有机分子由于溶解度的不同，析出自发组装规整的有机微纳晶体。这种方法得到的有机微纳晶体的稳定性和本身的性质有关，有的晶体可以存放几个月到一年，有的比较容易相互聚集、沉降，形成非理想体系。这种制备方法操作简单、便利，且产物的单分散性好，非常常见，因此成为有机纳晶研究的基本方法。

4 制备不同尺寸的微纳晶

用微量注射器吸取50 μL、浓度为2.0×10-3mol/L的TDSB/THF溶液，在剧烈的搅拌下，缓慢加入2 mL预先配制好的一系列不同浓度的CTAB混合溶液（乙醇、水体积比为1∶1），CTAB的浓度分别为5.4×10-3、4.0×10-3、2.7×10-3、1.8×10-3、0.9×10-3mol/L，编号分别为a、b、c、d、e 5组。搅拌10 min后，即可得到不同尺寸的TDSB纳米棒。

改进传统的再沉淀法制备的TDSB纳米棒，通过控制表面活性剂量，可以得到一系列不同尺寸的纳米棒。由于表面活性剂CTAB不发射荧光，用荧光显微镜拍摄的荧光照片是TDSB纳米棒的具体形貌和聚集形态。将制备的溶液滴于干净的玻璃片上，待干燥后，在紫外激发光源的激发下进行观察和照片拍摄。通过荧光照片可以明显地观察到：TDSB纳米棒的颜色为绿色荧光，并且在不同浓度表面活性剂的作用下，尺寸会有明显的变化（见图1）。

图1 不同CTAB浓度下TDSB生长情况的荧光显微照片

经过对荧光显微照片的具体统计测量发现，当体系中表面活性剂的浓度在5.4、4.0、2.7、1.8和0.9 mmol/L时，所得TDSB纳米棒的尺寸分别为（1.0±0.5） μm、（3.0±1.0） μm、（5.0±1.0） μm、（7.0±2.0） μm、（10.0±3.0） μm，尺寸分布较为集中，且形貌均良好，可以作为合适的光学谐振腔。放置几天之后，a、b、c 3组体系较为稳定，而d、e两组体系有轻微沉降现象。如果直接用白光观测样品所在玻璃片，会看到大片的薄膜，这是表面活性剂CTAB沉积造成的，所以无法直接观测TDSB纳米棒的形貌，需要借助紫外灯激发。基于以上数据和分析，大致可以推断TDSB纳米棒的尺寸形貌变化和CTAB水溶液浓度有直接的关系，作用原理是：当CTAB在临界胶束浓度（0.9 mmol/L）以上时，会自组装形成直径约6 nm的球形胶束，胶束内部为疏水基团烷基链，外部为亲水基团，所以当TDSB分子加入CTAB胶束体系时，有机分子的非水溶性会使其进入CTAB的内部憎水核中，并且由于TDSB分子结构含有苯环，诱导了球状胶束向棒状胶束形成的过程，得到了一系列不同尺寸的TDSB纳米棒。

5 结语

选择具有良好光电性能的齐聚苯乙烯撑类分子作为主要的研究对象，通过在末端位置引入不同的官能团来改变分子的结构，并通过再沉淀的方法对分子的形貌和性能进行调控，调整表面活性剂的用量，制备了一系列不同尺寸的TDSB纳米棒。