物理所多尺度有序多孔材料制備研究取得新進展

物理所多尺度有序多孔材料制備研究取得新進展

    最近，中國科學院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家實驗室的孟慶波研究組與中科院力學研究所研究員王育人、物理研究所研究員張道中合作，研發(fā)出一種快速紅外輔助協(xié)同自組裝方法制備多尺度有序多孔膜。該成果已申請兩項國家發(fā)明專利，具有100%的自主知識產(chǎn)權(quán)。相關(guān)成果發(fā)表在近期出版的J. Am. Chem. Soc. (130, 9785-9789, 2008)上。

    高度有序多孔材料具有獨特的光學性質(zhì)——光子帶隙。它可被用于操控光的傳播，在光學器件方面有著巨大的應用前景，如制造新型的全光開關(guān)、發(fā)光二極管、激光器、光波導等。同時，多尺度有序多孔膜材料可用作催化劑載體、染料敏化太陽能電池光陽極、膜反應器等，并在離子交換、色譜分析、傳感器等方面也有潛在的應用前景。因此，如何高效制備多尺度有序多孔材料引起了人們的廣泛關(guān)注和研究興趣。

    近年來，孟慶波研究組一直致力于膠體光子晶體的自組裝方法研究，先后發(fā)展了協(xié)同自組裝法、控溫等壓自組裝法，使制備的膠體光子晶體質(zhì)量有明顯提高，同時制備時間從幾天縮短到幾個小時。但是，這些方法在快速協(xié)同自組裝有序多孔薄膜遇到了新的困難，即快速生長時納米顆粒在膠體小球間輸運造成的阻滯效應大大抑制了膠體小球的有序堆積，因而很難制備高質(zhì)量的有序多孔膜。

    在前期工作基礎(chǔ)上，研究人員此次發(fā)展出的多尺度有序多孔材料的快速自組裝制備方法，利用特征紅外光技術(shù)加快晶體生長前沿處液體流動速率和納米顆粒的輸運速率，既有效抑制了阻滯效應，又不改變原有的體相生長條件，從而成功制備了多尺度有序多孔材料。這種方法同時突破了現(xiàn)有的協(xié)同自組裝法中普遍存在三個局限性：一是使組裝膠體顆粒的尺寸和材料范圍大大擴充；二是使自組裝時間由原來的數(shù)小時縮短至30分鐘以內(nèi)；三是制備多尺度有序多孔材料質(zhì)量有非常顯著的提高。這種紅外輔助協(xié)同自組裝法具有簡單、經(jīng)濟、高效等優(yōu)點。為高度有序多尺度多孔材料的大規(guī)模應用奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也為研究膠體晶體自組裝機理提供了新的方法。

    該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院和國家科技部項目的資助。