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近年来,随着纳米材料的制备、组装、性能研究的迅猛发展,纳米科技在制备组装微器件领域的应用受到越来越多的关注。本论文以实际应用需求为目标,设计制备多种轻质彩色复合纳米材料,研究纳米球自组装机理。以拟态章鱼变色过程,实现调控彩色电泳显示为目的,设计材料结构并通过创新、简单的化学方法可控制备白色高稳定性的聚苯乙烯/二氧化钛/脲醛树脂轻质复合纳米球,蓝绿红金属离子彩色空心轻质彩色纳米球,单分散黄色、品色、蓝色轻质彩色聚苯乙烯纳米球,挖掘其在彩色电泳显示器中的应用潜能,研究它们的稳定性、光性能和表面电荷性能。以组装电泳显示功能器件为目的,发展了小分子辅助纳米球自组装方法和没有任何小分子或者表面活性剂辅助纳米球自组装方法,研究了纳米球自组装的机理,探讨了自组装驱动力的来源。利用强制排列法制备球形光子晶体探讨了其作为彩色显示单元的潜能。本论文研究内容注重理论探索的同时,注重实际应用的创新,论文的主要内容包括:
(1)采用原位缩聚法成功将脲醛树脂包覆在聚苯乙烯/二氧化钛纳米球的表面,形成三层核壳聚苯乙烯/二氧化钛纳米球/脲醛树脂杂化结构。脲醛树脂包覆层致密均匀,约为10nm。利用正交实验考察各种影响因素,如脲醛预聚体的量、pH值、温度对脲醛树脂包覆层的形成均具有重要的影响。所研制的聚苯乙烯/二氧化钛/脲醛树脂纳米球具有较低的密度,约为1.85g/cm3,能与四氯乙烯溶液很好的匹配,保存4个月后,仍能很好的分散,不会絮凝,不会沉降,而且其白度较好,因此是一种很好的能应用于电泳显示器中的白色电泳颗粒。
(2)发展了一种通用的通过金属离子掺杂调控二氧化钛的带隙的方法制备了Co/AldopedTiO2蓝色空心纳米球,Co/ZndopedTiO2绿色空心纳米球,CodopedTiO2绿色空心纳米球和FedopedTiO2红色空心纳米球。彩色空心TiO2纳米球单分散性好,粒径均一,空心球粒径为300hm,壳层为35nm,密度较低,约为1.32g/cm3。其在紫外区具有高的吸收率,能吸收大量的紫外能量,同时经光催化研究表明其光催化活性极差,即其在电泳液体系中不会对体系中的其他成分构成损害,有利于电泳显示器的使用寿命。因此,可作为很好的彩色颗粒应用于彩色显示电泳液体系,制造彩色电泳显示器件,实现对光信号的调节。
(3)通过乳液聚合法,将染料分子聚合进聚苯乙烯纳米球中可控制备了颜色鲜艳的黄色、品色、蓝色聚苯乙烯纳米球。颗粒具有绚丽的颜色,色彩饱和度好。其15％的电泳分散液在可见光区内均具有较高的反射率,黄色聚苯乙烯纳米球对530hm以后的光波具有强烈的反射,品色聚苯乙烯纳米球对600nm以后的光波具有较高反射率,蓝色聚苯乙烯纳米球在450nm处均有强烈的反射峰。利用循环伏安法研究了浓度对彩色聚苯乙烯纳米球分散液体系中纳米球的电泳性能的影响。纯乙二醇溶剂的电流非常低,随着电压的增加没有明显的增加。当乙二醇中加入电泳颗粒后,电流值明显增加,在一定电压下电泳液中颗粒电泳迁移率达到最大值。随着颗粒的浓度增加,电泳液中颗粒对电压的响应增加,颗粒达到最大电泳迁移率越快。电泳的电导率随着彩色颗粒浓度的增加而增加。作为很好的彩色颗粒应用于彩色显示电泳液体系,实现对光信号的调节。
(4)通过强制挥发法制备出不同颜色球形光子晶体,并将红色荧光CdTe量子点成功填充在球形光子晶体内,制备出具备荧光性能的光子晶体,SiO2纳米球非常完美的排列成面心立方结构(FCC),颗粒排列非常紧密整齐。掺杂CdTe量子点的球形光子晶体和未在可见光下颜色相同,反射光谱一致,蓝色,绿色,红色球形光子晶体的反射峰位置分别为460nm,518nmand630nm。而CdTe掺杂量子点的球形光子晶体发出红色荧光,从荧光显微镜中可明显观察到单个球形光子晶体的荧光发射。荧光峰位置随着SiO2粒径的增加而红移,分别为640nm,642nm,646nm。通过调节光子晶体的禁带,可实现对可见光和红外光光信号的调节。
(5)发展了一种非模板湿化学小分子辅助自组装方法,实现0维纳米晶自修复自组装成三维叶绿体状椭球结构体。叶绿体状椭球结构体是通过纳米晶聚集而成,经超声可被破坏,得到纳米晶,但其又会重新自组装成叶绿体状椭球结构体。氨水在纳米晶自组装过程中起到决定性作用,控制了纳米晶的自组装过程,决定了叶绿体状椭球结构体的长径比,随着氨水浓度的增加长径比逐渐减小。我们在理论上解释了纳米晶自组装的过程,研究了氨水浓度对纳米晶成核和叶绿体状椭球结构体长径比的影响以及化学势和表面原子比与长径比的关系。叶绿体状椭球结构体长径比、化学势和表面原子比取决于初始晶核的粒径和数量。该制备过程可作为一种通用的方法制备其他过渡金属硫化物的三维叶绿体状椭球结构体,如CdS,CuS和Ag2S叶绿体状椭球结构体。三维叶绿体状椭球结构体在很多领域具有重要的应用前景,尤其是其可作为重要的介电材料制造全带隙光子晶体。
(6)发展了一种非表面活性剂自组装方法,实现0维纳米晶自组装成三维叶绿体状椭球结构体。叶绿体状椭球结构体是由无序纳米晶经过旋转选择最佳晶向导向聚集自组装而成。在ZnS纳米晶自组装成叶绿体状椭球结构体的过程中,ZnS纳米晶会沿着闪锌矿ZnS的[111]轴导向聚集。在相同的条件下,分别用氯化锌,硝酸锌,硫酸锌代替醋酸锌,叶绿体状椭球结构体仍能形成。在80-140℃范围内对反应温度进行调控,在不同温度下,仍然能得到叶绿体状椭球结构体。因此,在[111]方向上的偶极-偶极相互吸引产生的静电作用力是纳米晶导向各向异性自组装的决定性因素,最终导致了叶绿体状椭球结构体的形成。实心叶绿体状椭球结构体经三种奥氏熟化方式可转化为空心、核壳和多层叶绿体状椭球结构体:向内奥氏熟化,向外奥氏熟化和内外结合奥氏熟化。该制备过程可作为一种通用的方法制备其他过渡金属硫化物的三维叶绿体状椭球结构体,如MnS叶绿体状椭球结构体。