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功能化的超分子自组装技术近年来引起了极大的研究兴趣,静电自组装作为其中最经典的一种技术被广泛应用于各个领域并且得到了深入而细致的研究。电荷匹配作用是聚电解质分子间静电自组装赖以进行的基础并对聚电解质静电组装膜的性质有着十分重要的影响,聚电解质分子中带电基团所匹配的抗衡离子被证实对组装膜的膜厚、组装动力学及其它的一些物化性能有着重要的调控作用。
表面润湿性因其对固体表面所发生的清洁、摩擦、分离及吸附等过程都有着重要影响而引起了广泛而持久的研究热情,利用简单易行的组装技术构筑智能型表面成为了当前的研究热点。人们已经认识到表面化学组成与表面形貌结构是对固体表面润湿性有决定性影响的两个重要因素,但是在决定表面某种具体的润湿特性时,这两个因素彼此的依赖与制约关系以及某些条件下单一结构特征对表面润湿性的决定性作用等仍然缺乏系统性研究。例如确定固体表面化学组成的变化对表面润湿性影响的规律;表面化学组成对润湿性的影响受表面形貌结构制约的问题;化学非均匀表面不同化学组成区域的尺寸、分布及比例的变化对表面润湿性有何种影响等等。
本论文从利用聚电解质多层膜广泛的适用性以及膜表面抗衡离子可交换性等特点出发,着力于对表面形貌结构、表面化学组成及表面润湿性三者之间的并列与因果关系以及组装膜表面的组成特性的探索,开展了系统性的研究工作。论文的主要内容分为以下三个部分:(1)我们首先在光滑基底表面组装聚电解质多层膜,然后系统地交换膜外层中聚阳离子所匹配的抗衡阴离子,膜表面的润湿性即随抗衡离子的改变而改变,水滴前进角可在约10°到约120°的大范围内动态地改变,表面的抗衡离子交换能够快速可逆地进行。同时,膜表面所交换的离子量可以通过改变聚电解质组装溶液中的离子强度来调节。交换到组装膜表面的离子的自身特性直接影响了膜表面总的自由能,我们可以通过调控组装溶液中的离子强度这一有效途径进一步对聚电解质多层膜表面的润湿性进行调控。该方法极大地丰富了我们表面改性的手段,使我们具备了系统而大范围地进行快速可逆的表面改性能力。(2)我们将上述方法扩展到具有微米/纳米二级粗糙结构的基底表面,成功实现了表面润湿性从超亲水到超疏水之间大范围可逆变化。通过比较组装膜表面带有相同抗衡离子的粗糙基底与平整基底表面的润湿性差异,我们发现,使平整表面水滴接触角小于65°的抗衡离子都将会使粗糙表面的接触角小于5°;而使平整表面水滴接触角大于65°的抗衡离子交换到粗糙表面后会观察到表面疏水性的大幅提升。我们利用该方法制备了具有抗吸附特性的超疏水表面。在此基础上通过调节溶液中用以交换的抗衡离子的浓度以及控制交换时间,我们实现了对组装膜表面不同区域离子交换程度的控制,进而通过单种离子的一次性交换,首次获得了从超亲水到超疏水动态可逆变化的润湿性梯度表面。(3)我们发现组装膜表面存在大的迟滞效应,为深入研究表面迟滞效应的来源,我们将尺寸约为3 nm的带负电性的金粒子通过静电吸引作用吸附到带正电的聚电解质组装膜表面。通过观察带电粒子在组装膜表面的分布来研究聚电解质多层膜的组成特性。结果显示,聚电解质多层膜表面组成并不均匀且深受组装条件的影响,通过增减组装过程中的吹干步骤、组装膜层数以及组装溶液的离子强度均可调控组装膜的组成特性。我们首次直观地揭示出聚电解质组装膜表面存在一定量的由于聚电解质分子链脱附而形成的化学异性(缺陷)区域。聚电解质多层膜表面该类缺陷与合适的表面形貌结构结合将导致表面存在非常大的迟滞效应。将聚电解质多层膜组装在具有大量的微米级宽度而亚微米级高度空隙的粗糙表面,通过组装膜表面的离子交换,我们成功获得了一种粘性超疏水表面,表面水滴迟滞角高达156°。基于此类研究,我们有可能通过将表面形貌与表面化学组成快速搭配而简单高效地对固体材料表面性质进行智能调控。此外,我们还进一步探索了金纳米粒子与聚电解质组装膜组成的体系在Raman光谱的分子检测领域中的应用。