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Science:纳米纤维阵列精准制备之液晶模板CVP法
2018/12/28 10:58:24 纳米科技 0 条评论 邀请点评

  壁虎的脚为什么既能贴在房顶不掉下来又能迅速移动?北极熊的皮毛为什么在北极极寒时也能保暖?水滴为什么不能润湿荷叶?其实答案都与表面上的纤维阵列有关。带有纤维的表面广泛存在于自然界中,这类微纳结构是一系列传感、隔热、拒水以及可逆粘附性等功能的基础。材料学家们一直努力从自然界中获得灵感,不过仿生构筑上述功能性表面往往需要复杂的工程设计,例如要考虑好单根纤维的组成、形状、形貌,还要控制好纤维的有序组装排列以形成阵列等等。虽然,目前挤出加工、静电纺丝、微接触印刷等技术高效能够实现聚合物纤维膜材料的构筑,但是还无法实现尺寸、形状可控纳米纤维的制备及其规整排列组装。

  近日,美国密歇根大学Joerg Lahann教授和康奈尔大学Nicholas L. Abbott教授研究团队以液晶为模板,采用化学气相聚合法(CVP)实现了规整纳米纤维阵列的简便构筑。他们在基底表面涂覆液晶薄膜,基于实验参数的优化设计,低浓度气态的自由基单体渗透扩散到液晶模板中,使得单体对液晶相的扰乱最小化,再经聚合反应并除去液晶模板,得到结构及组成被精确控制的取向纳米纤维阵列(下图D)。相关论文发表在Science上。

  
液晶模板法制备聚合物纳米纤维阵列。图片来源:Science

  以液晶为模板制备的聚合物纳米纤维,其一端锚定在基底表面;偏光显微镜观察证实其分子链的取向排列与纳米纤维轴向平行。通过在基底表面分别构筑结晶态5CB(上图B)、向列相态5CB、各向同性液态5CB以及硅油为模板进行聚合物纳米阵列制备,对比研究表明模板的长程有序和流动性是成功构筑聚合物纳米阵列的关键。同时,通过分别调控向列相液晶模板种类、液晶膜厚和CVP温度可实现聚合物纳米纤维直径的精确调控。该合成策略适用于制备具有不同官能基团的聚合物纳米纤维。

  
聚合物纳米纤维长度、直径及表面化学性质调控。图片来源:Science

  此外,液晶的弹性模量、手性等分子特征以及与受限表面的相互作用等参数的调控都可构筑系列液晶模板用于CVP制备香蕉状、锥形扇状、手性排列以及双螺旋三维网状等不同形貌的聚合物纳米纤维阵列。

  
基于液晶模板调控制备不同形貌聚合物纳米纤维阵列。图片来源:Science

  进一步扩展研究表明该聚合物纳米纤维的制备策略同样适用于圆管等曲面基底。在圆管内表面生成的纳米纤维阵列密度随离管口的距离增加逐渐降低。同时采用液晶滴为模板可实现微观区域纳米纤维阵列图案的构筑。

  
不同基底表面及图案化聚合物纳米纤维阵列的制备。图片来源:Science

  总结

  该论文以液晶为模板,通过CVP法实现了不同基底(平面、曲面)多种聚合物体系图案化纳米纤维阵列的构筑。通过调控液晶模板种类、CVP温度等实验条件能够精确控制纳米纤维的形状、尺寸及手性等参数;进而实现聚合物纳米纤维阵列表面粘附力等性能调控。在仿生功能材料表面、生物分子固定等应用领域具有极大的应用潜力。

全文链接:http://science.sciencemag.org/content/362/6416/804

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文章关键词: 纳米纤维
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