[发明专利]一种利用软物质界面在平面或者曲面组装周期纳米结构的方法

说明书

本发明公开了一种利用软物质界面在平面或者曲面组装周期纳米结构的方法，包括下述步骤：1）使用水或水/PEG混合溶液作为溶剂配制合适浓度的凝胶水溶液，然后超声处理直至凝胶单体完全溶解；2）取步骤1）所得加热至沸腾，冷却至半固态，浇筑于目标表面，并除气泡和平整表面；3）将步骤2）中体系置于室温缓慢冷却，待水凝胶完全凝固，并利用洁净空气吹洗直至水凝胶表面无明显水滴痕迹；4）然后切除不规整的水凝胶，在水凝胶表面滴加适量的微球胶体悬浮液；5）将步骤4）所得置于30~90℃温度环境中干燥；实现了具有高反射率和吸收反射能力的大面积周期纳米结构材料的快速低成本制备。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体的说，一种利用软物质界面在平面或者曲面组装周期纳米结构的方法。

背景技术

光子晶体（PCs）是一种典型的被广泛研究的周期性纳米结构材料，具有多种特殊的光学性质，包括光子带隙（PBG）、光子局域化、低光子效应和荧光增强效应。基于这些独特的光学特性，PCs在光子器件、纳米材料、太阳能电池和化学生物传感等领域具有巨大的应用潜力。

近年来，人们报道了各种制备光子晶体材料的方法，可分为两类。第一种方法是自上而下的制备策略，包括光刻，这需要繁琐的操作和昂贵的大型设备，如光刻机和气相沉积仪器等。而另一种制备方法是自下而上的，采用胶体纳米粒子的自组装，由于其成本低、无需大型仪器而被广泛应用。现有的胶体纳米粒子自组装的方法有沉淀法、垂直沉积法、浸渍沉积法、旋涂法、剪切诱导法和 Langmuir-Blodgett法，但它们不能完全克服耗时、浪费材料、无法形成高光学性能的大面积光子晶体等缺点。虽然已经探索了几种制备大规模光子晶体的方法，但应该认识到快速制备大规模光子晶体，在平面或曲面界面的高光学性能三维PCs仍然是一个挑战。

水凝胶是一种重要的软物质，广泛应用于生化传感、化学分离、生物医学材料、药物传递系统等领域。但作为一种具有固液界面特性的特殊界面，水凝胶界面在材料科学领域应用甚少。水凝胶界面提供了一个类似于液体表面的组装环境，它不仅为胶体粒子悬浮液在大规模上的均匀扩散提供了中等的表面张力，而且还平衡了纳米粒子自组装过程中的几种非共价相互作用和溶剂化效应。此外，水凝胶的半固态可以保持光子晶体的晶体状态。在此基础上，水凝胶可以作为一种新型的纳米胶体自组装平台，同时具有优异的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用软物质界面在平面或者曲面组装周期纳米结构的方法，实现了具有高反射率和吸收反射能力的大面积周期纳米结构材料的快速低成本制备。

本发明通过下述技术方案实现：一种利用软物质界面在平面或者曲面组装周期纳米结构的方法，包括下述步骤：

1）使用水或水/PEG混合溶液作为溶剂配制0.2% ~ 2% 浓度（优选采用1%浓度）的凝胶水溶液，然后超声处理直至凝胶单体完全溶解；其中，使用水作为溶剂，是为了契合微球胶体悬浮液中溶剂的极性和离子强度等；采用超声处理能够使得固体状的凝胶单体快速溶解至水中；

2）取步骤1）所得加热至沸腾，然后缓慢冷却至半固态，浇筑于目标表面（平坦或弯曲表面），并除气泡和平整表面（即适度晃动直至表面平整并除去液体中的气泡）； 采用晃动的方式直至表面平整并除去液体中的气泡是为了给微球在软物质界面自组装提供一个规整的区域；

3）将步骤2）中体系置于室温缓慢冷却，待水凝胶完全凝固，并利用洁净空气轻轻吹洗直至水凝胶表面无明显水滴痕迹；使用洁净空气除去水凝胶表面水滴是为了避免水滴对微球胶体悬浮液体系（微球胶体悬浮液）的影响；

4）然后切除不规整的水凝胶，在水凝胶表面滴加适量（完全覆盖目标区域大小即可）的微球胶体悬浮液（在滴加时特别注意不要破坏凝胶表面）；切除不规整的水凝胶的目的是为了提供一个相对规则的平面并使用微球胶体悬浮液的表面张力控制微球胶体悬浮液的分散面积，达到控制其微球的组装厚度的目的；