胶体晶体自组装及其结构性质研究

摘要

自组装胶体晶体因其丰富的相行为,受到越来越多科研工作者的重视。在单分散的胶体系统中通过自组装的方法已经得到了六角密堆和面心立方结构的胶体晶体。但是当单分散的胶体晶体中加入浓度和尺寸大小不同的聚合物的时候,情况就发生了变化。人们在胶体高分子混合体系中观察到相变行为。这种胶体.高分子混合体系在界面上可组装形成丰富的胶体结构。理论计算出有多种相结构出现,包括六角密堆、体心四方、体心立方,及链状、层状结构等等。如果能在实验上实现这些结构并对其加以调控,那可调控胶体晶体将在光学,电学,生物传感器等领域起到非常大的作用,同时也为软物质多体混合体系的理论研究开拓广阔的前景。
　　 本文的主要工作是从实验角度实现一种制作胶体晶体各种结构的新方法,并通过控制相关参量实现胶体晶体结构转变。实验体系主要是由聚合物刷衬底,胶体颗粒,自由聚合物构成。通过调节胶体颗粒和自由聚合物的质量比,实现胶体晶体结构从无序,到链状,到多晶,到四方六角混合,到四方,到六角四方混合,再到六角的结构转变。其中大面积的四方和六角结构非常值得关注,也具备潜在的应用前景。我们用光学反射谱对六角和四方结构胶体晶体的光学性质进行测量,对应两种结构,得到了两个反射峰位。通过R-Soft软件计算光学反射谱,并与上述实验比较,证明六角结构胶体晶体在三维上是面心立方晶体,四方结构胶体晶体在三维上是体心四方晶体。
　　 我们利用熵驱动有序理论对上述胶体结构形成及转变行为进行解释。结构的形成及转变主要受到两种作用的调制,一是聚合物刷的构象熵效应,一是胶体颗粒的空间堆积效应。双面受限的理论计算表明,当聚合物刷的构象熵占主导地位的时候,会形成稳定的四方结构;而当胶体颗粒的空间堆积效应占主导地位的时候,会形成稳定的六角结构。在胶体颗粒和自由聚合物达到一定的质量比的时候,聚合物刷灵活改变构象引导胶体颗粒按照链状结构排列,所以在我们制备的胶体晶体中也会形成一定比例的链状结构。