有机多元微米粒子库

取决于组分间的相容性，二元金属混合物通常以合金或相分离形式存在。金属合金的使用甚至可追溯至三千年前的青铜器时代，而近年来快速发展的纳米科学为传统的多元金属合金注入了新的生机和活力。多元金属纳米结构目前已广泛应用于催化、等离子激元、生物成像等领域。迄今为止，多于三元组分的金属纳米粒子库的可控构筑已取得重大突破。比如，美国西北大学Mirkin教授课题组利用扫描探针嵌段共聚物光刻技术制备了五元金属纳米结构，该多元金属纳米粒子以合金和/或相分离的状态共存（Science, 2016, 352, 1565，点击阅读详细）。更有甚者，马里兰大学胡良兵教授利用碳热震荡法成功构筑多达八种金属组合的高熵合金纳米粒子，该方法可有效突破多组分金属相容性的桎梏（Science, 2018, 359, 1489，点击阅读详细）。

受多元金属纳米粒子的启发，研究者们期待将多个有机共轭分子整合成单一纳米粒子。考虑到有机半导体材料的多样性及不同组分的特异性动态组装，合成如此多元的复杂有机组装粒子仍面临着极大的困境。对于三元以上的有机组分，预测并理解它们的相行为看起来是不可能的任务。幸运的是，二元有机半导体混合物已被系统研究，且多以共晶、合金或相分离异质结等形式存在。因此，这些二元组分的相行为及生长次序可通过显微实时成像的方式清楚揭示。事实上，共晶和合金可视作分子尺度的二元混合物，因此确保了二元共组装以近似相同的速率进行。而二元异质结通过结合两种微纳尺度的组分部分而成，这里预先形成的晶种承接了第二种组分的选择性生长。

图1. 四种有机组分的分子结构及一元、二元、三元和四元组合的微纳米粒子。

基于二元混合物的相行为，用于形成合金的组分可视作完全相容，而用于构建有序取向的异质结构型的组分可看作部分相容。此外，用于构筑无序异质结的组分被视作弱相容。值得注意的是，两种组分间的相容性由两者之间的分子形状、尺寸及对称性等所决定。得益于二元混合物的共组装信息，使得预测三元以上的多组分有机微纳粒子的相行为成为了可能。为实现该目标，天津大学理学院雷义龙教授和首都师范大学付红兵教授选择了四种有机共轭组分对二苯乙烯基苯 (1)、并四苯 (2)、9，10-对二苯炔基蒽 (3) 和5，12-对二苯炔基并四苯 (4) 作为组装单元首次构筑了四元组分任意组合的微米粒子库。基于二元组合的实时成像信息，已证实二元组合1/2和3/4完全相容，1/3和2/3部分相容。剩余的两种二元组合1/4和2/4则显示弱相容。基于二元微米粒子的组装信息，研究者实现了更为复杂的三元及四元微米粒子组分、取向及发光颜色的精准调控。进一步地，将核壳构型引入到该四元组合体系中，进一步证实该合成方法学的强大功效。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，天津大学硕士研究生张丹丹为第一作者。

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Organic multicomponent microparticle libraries

Dandan Zhang, Jianbo De, Yilong Lei, Hongbing Fu 

Nat. Commun., 2021, 12, 1838. DOI: 10.1038/s41467-021-22060-z

导师介绍

付红兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/15493