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基于SiO2纳米粒子自组装一步法制备球面褶皱形貌

褶皱是自然界中广泛存在的一种材料表面形貌,诸如山脉、植物种子、微生物、人类大脑等结构表面都能够发现褶皱的存在。材料表面褶皱形貌的存在使得材料比表面增大,同时赋予材料表面吸附、追踪、捕获等功能性,因此广泛应用于光学、流体力学、医学等领域。通过材料表面(如聚二甲基硅氧烷PDMS)化学氧化、UV处理以及表面涂覆涂层等方法构筑软硬复合核壳结构,在一定的面内应力作用下能够构筑具有褶皱结构的聚合物微球。但是,大规模、简便的制备具有可控皱纹形貌的聚合物微球仍是一个不小的挑战。


近日,日本熊本大学Makoto Takafuj教授和Hirotaka Ihara教授研究团队基于SiO2纳米粒子在聚合物单体聚合过程中的自组装,一步法构筑了具有一系列褶皱形貌的SiO2/聚苯乙烯(PS)核壳复合微球。该体系中其表面褶皱形貌呈现出良好的均一性、对称性以及可调控性。

SiO2/PS复合微球表面的褶皱形貌。图片来源:Chem. Commun.


研究团队首先采用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对粒径25 nm的SiO2纳米微球进行表面修饰(MSi25),然后将其与单体苯乙烯和乙二醇二甲基丙烯酸酯混合进行复合聚合物微球制备。在单体聚合过程中产生的面内收缩应力作用下,最终得到表面具有褶皱形貌的复合聚合物微球。而且微球表面起皱与否以及皱纹形貌还可通过简单调节溶液相中加入SiO2纳米粒子的浓度进行可控调整。

复合微球起皱示意图。图片来源:Chem. Commun.


通过精细调控聚合体系中MSi25的加入量得到了微球光滑表面、波状皱纹形貌、尖峰状皱纹形貌、较钝的皱纹形貌以及较粗(Rugged)皱纹形貌。

不同MSi25加入量得到不同形貌。图片来源:Chem. Commun.


研究团队选用MSi25含量为2 w/v%的MSi25(2.0)@pS微球表面形貌进行粒径120 nm和 940 nm PS颗粒的选择性分离应用。结果表明该微球体系表面皱纹形貌能够较好的选择性吸附/沉积粒径120 nm的PS微球。

MSi25(2.0)@pS微球选择性吸附粒径120 nm的PS颗粒。图片来源:Chem. Commun.


——总结——


该论文通过聚合单体聚合过程中的SiO2微球的自组装一步法构筑了表面具有皱纹形貌的聚合物复合微球。该体系制备的微球表面皱纹形貌稳定性优异,且表面形貌调控方式简单,易于大规模普及应用。同时,该方法可以进一步拓展到其他种类的表面皱纹化复合微球的构筑。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

One-pot preparation of polymer microspheres having wrinkled hard surfaces through self-assembly of silica nanoparticles

Chem. Commun., 2017, 53, 9147-9150, DOI:10.1039/C7CC05132H


(本文由甲子湖供稿)


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