超分子金属大环调控的金纳米粒子的可控自组装

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近年来,随着纳米科学技术的发展,很多研究已经表明无机纳米粒子形成的聚集体结构会表现出与单个粒子不相同的光学、电学、磁学及催化活性等特性。尤其是在通过对纳米基元的控制来构筑新型的纳米材料和纳米器件方面,已经成为了人们开发和探究纳米组件的一个重要途径。其中以分子间弱相互作用的可控自组装方式构筑的纳米材料不仅可以具备纳米材料本身的奇特性质,而且也能够为其提供一些特殊的物理、化学性质。同时它能够丰富现有的纳米材料体系,也为新型功能化纳米复合材料的构筑提供了新的平台。虽然目前人们已经开发了多种连接配体和多种构筑纳米粒子聚集体的方法,然而纳米粒子本身的微观尺寸和较大的比表面积,使得精确构筑纳米聚集体的形貌和细微结构具有一定的挑战性,尤其是在高效的制备特定形貌的纳米粒子聚集体方面。超分子化学是一门以化学与生物学、材料科学、物理学和环境科学等学科交叉构成的科学,其中金属配位键高度的方向性和高键合能力为高效的构筑特定的拓扑结构分子提供了良好的平台。因而通过引入金属配位键来构筑特定结构的纳米材料渐渐被人们关注,尤其是引入金属配位键来构筑特定结构的超分子配体,为纳米粒子聚集体的构筑和功能化提供了新的途径。本论文利用水-油界面组装的方式,以具有不同数目结合位点的超分子金属大环配体为连接配体,通过导向自组装,将金纳米粒子可控组装成多种形貌的纳米粒子聚集体。基于超分子金属大环的刚性和动态可逆性,我们通过调节影响因素来成功的制备多种形貌的纳米粒子聚集体和具有明确粒子间距的单层纳米粒子膜,在此基础上探究这种方法在构筑纳米粒子聚集体方面的普遍性和高效性,同时对构筑的纳米粒子聚集体和纳米粒子膜的性质与功能展开研究。本论文分为以下几部分:第一章综述了目前纳米材料的分类及研究进展、金属纳米材料的研究进展、金纳米粒子及其聚集体的研究现状。随后介绍了金纳米粒子及其聚集体的构建与组装方法、关于连接配体的构建与发展、超分子化学的研究进展及其在纳米材料上的应用探究,最后简要阐述了本论文课题的主要内容,研究方法和结果。第二章我们首先通过金属配位键导向自组装的方式,设计并合成了三种不同拓扑结构的超分子金属大环配体,这些超分子金属大环配体具有一定刚性和稳定性,且其环外修饰有不同数目被用于与金粒子配位的双硫基团。在此基础上,我们对金纳米粒子的配位自组装的可控性进行了较为细致地研究。在液-液界面上,我们用超分子金属大环配体来诱导金纳米粒子组装,通过调节金纳米粒子、配体的浓度以及组装的时间等实验因素,成功的制备出金纳米粒子二聚体、三聚体和六聚体等。随后我们将超分子金属大环配体的分子内径和其对应的聚集体的间距进行比对,证明超分子金属大环配体可以很好的调控组装体内粒子的间距。另外还通过引入溴离子,证明了聚集体具有解离的能力。此外在成功制备这些纳米粒子聚集体的基础上,我们进一步研究了这些聚集体对表面拉曼光谱的增强效应,展示了其潜在的应用价值。第三章基于合成的三种不同拓扑结构的超分子金属大环配体对金纳米粒子的可控诱导作用,我们采用配位诱导自组装方法,在液-液界面上将配体与金粒子进行配位组装,在大量实验的基础上,用超分子金属大环配体成功的制备了单层密集的金纳米粒子膜,探究了金属大环配体的结构特点对金纳米粒子膜的组装调节作用。随后,我们研究了金纳米粒子膜两面的亲疏水性,实验证实这些单层粒子膜具有典型的不对称(Janus)特征。基于制备金纳米膜的特性,研究了单层纳米膜中粒子间距、粒子粒径与拉曼增强效果的关系,证实了单层金纳米粒子膜对拉曼光谱强烈的增强作用,并在此基础上探究它们在分子检测方面的应用潜力。
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