聲懸浮液滴表面的納米顆粒自組裝

金屬和半導(dǎo)體納米顆粒具有通過自組裝形成高度有序陣列的能力，因此可以被用來制備納米自組裝結(jié)構(gòu)/器件，在傳感、防偽、離子門控、納米光子學(xué)和納米電子學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/span>

近期，西北工業(yè)大學(xué)臧渡洋教授課題組與澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授課題組合作，提出了一種制備自支撐納米自組裝體的全新方法：利用聲輻射力抑制常規(guī)液滴蒸發(fā)時的咖啡環(huán)效應(yīng)，從而獲得大面積、自支撐的雙層有序納米顆粒自組裝體。該項研究成果以“A General Approach to Free-Standing Nanoassembliesvia Acoustic Levitation Self-Assembly”為題于近日在納米領(lǐng)域期刊ACS Nano（IF：13.709）上在線發(fā)表。

先前的納米自組裝體的制備方法方法包括Langmuir- Blodgett、基于DNA的干燥介導(dǎo)自組裝、液-液界面自組裝、氣-液界面自組裝和逐層組裝等。在這些常規(guī)方法中，自組裝過程中固體或容器的表面接觸是不可避免的，這通常會影響自支撐納米組件的質(zhì)量、可轉(zhuǎn)移性和可制造性，特別是固-液邊界或固-氣界面在溶劑蒸發(fā)過程中的“咖啡環(huán)”效應(yīng)也會顯著影響納米組件的均勻性。相比之下，聲懸浮技術(shù)可以在自組裝過程的任何階段完全避免固-氣和固-液界面，從而提供一種無容器自組裝條件。

立方金納米顆粒（Au NCs）是通過種子介導(dǎo)生長法合成的，通過接枝硫代聚苯乙烯（SH-PS）使其具有疏水性。為了避免固體基質(zhì)的影響，用作Au納米顆粒組裝模板的水滴在某個聲壓節(jié)點中被聲懸浮裝置懸?。▓D1a）。隨后將濃縮的PS-Au NC懸浮液滴在懸浮的水滴表面，溶劑快速蒸發(fā)后，固體納米顆粒聚集在液滴周圍，形成金色的懸浮液體彈珠。隨著液體的進一步蒸發(fā)，懸浮的金色液體彈珠在垂直方向上收縮，但水平方向保持恒定，最終獲得具有雙層結(jié)構(gòu)的圓盤狀自組裝體（圖1 b-f）。

為了理解水蒸發(fā)時液體彈珠的形狀演變過程，研究者通過系統(tǒng)的實驗研究和深入的數(shù)值模擬，計算并繪制了液體彈珠表面的聲輻射壓力PA（圖2a），并與未滴加PS-Au NC懸浮液的液滴表面進行了比較。研究結(jié)果表明，聲輻射壓力PA的分布是不均勻的，在液滴的兩極區(qū)域為正，赤道區(qū)域為負，PA的這種分布表明在液滴赤道處存在著由聲波引起的吸力效應(yīng)。
這對于后來液滴形狀的演化是極其重要的。對于包覆納米顆粒的液滴，隨著液滴的蒸發(fā)，金納米顆粒表面濃度增大，表面張力下降，直到達到界面阻塞狀態(tài)。界面阻塞和聲輻射力共同作用使得液滴保持餅狀，最終形成了二維圓盤狀納米組件（圖2c）。
對比發(fā)現(xiàn)，懸浮的“裸露”水滴均勻收縮（圖2b），因為其表面張力在整個蒸發(fā)過程中不會發(fā)生變化，可見聲場中懸浮液滴的形狀和聲場與表面張力的相互作用有關(guān)，在二者互相作用的狀態(tài)下變化的表面張力導(dǎo)致了雙層膜結(jié)構(gòu)的形成。

在此基礎(chǔ)上，還可以制備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的納米顆粒自組裝體，比如“三明治”結(jié)構(gòu)（圖3a）和空殼結(jié)構(gòu)（圖3b）等。

該項工作清晰地表明聲懸浮自組裝是制造自支撐納米自組裝體的有效方法，具有廣泛的適應(yīng)性，這使得制備多功能納米組件如雙層、三層和空心膠囊等成為可能，甚至可推廣至液體介質(zhì)中，為在液-液界面上制備類似納米自組裝體開辟了新的途徑。