中心特聘研究員劉浩課題組在巨型分子自組裝領域取得新進展
發布人:任振夏  發布時間:2021-04-16   

近日,英國皇家化學會旗艦期刊Chemical Science2021,12, 5216-5223以“Thickness control of 2D nanosheets assembled from precise side-chain giant molecules”為題報道了中心特聘研究員劉浩課題組在巨型分子自組裝領域的最新研究進展。中心在讀的材料科學與工程學院博士生馮逢逢為論文第一作者,劉浩特聘研究員為唯一通訊作者,東華大學為第一通訊單位。

二維納米組裝體具有高比表面積、結構柔性和功能可調控性等特點,因而在催化、能源、光電子器件等眾多領域有廣泛的應用。二維組裝體的三個維度中,厚度是唯一一個處于納米尺度的維度,因而在一定程度上決定了二維納米材料的內在屬性。對于二維材料厚度調控進行更深入的研究,有利于更加深入地認識二維材料的“結構-性能”關系,為進一步優化其性能提供理論依據,是目前國際前沿熱點研究領域。劉浩課題組基于上述思考發展了一套利用巰基和馬來酰亞胺之間高效的Michael加成反應和“脫保護―加成”策略制備側鏈式巨型分子的方法,從分子設計出發對其二維組裝體進行了精準的厚度控制。

基于polyhedral oligomeric silsesquioxanesPOSS)在化學和幾何上具有剛性、結構穩定性和可修飾性等特點,本研究選取兩種具有不同表面官能團的多面體聚倍半硅氧烷BPOSSVPOSS為基本構建單元,在脫保護-加成合成策略的指導下,設計并精準合成了一系列BnV(n=15)型側鏈式巨型分子(圖1。通過核磁共振,凝膠色譜和質譜等測試手段,可以對巨型分子的化學結構和純度進行精確表征。

 

圖1. 側鏈式巨型分子的合成路徑和化學結構

 

通過溶液緩慢揮發誘導自組裝的方法,成功制備了巨型分子二維組裝體。TEM測試發現,所有樣品都能組裝成規整且離散的二維納米片;AFM、GIWAXDSAXS分析表明,上述二維納米片的厚度隨BPOSS數量的增加呈減小的趨勢(圖2)。進一步通過比較計算機模擬的BPOSS單晶電子衍射圖和實驗中二維片晶的SAED圖中的每個衍射點相對強度和互反軸角(圖3),確認了二維納米片中存在BPOSS的結晶層。綜合各項實驗數據分析結果,可推斷出二維晶片微觀上呈現出經典的“三明治”結構:兩層疏水的BPOSS結晶層夾在含羧酸基團的親水的APOSS層中間?;谏鲜鼋Y構模型可知,BPOSSAPOSS的數目比率越大,二維晶片表面APOSS的分布密度越小,因此隨著數目比率的增加,二維晶片的厚度減?。▓D4


 

圖2. 由巨型分子BnA (n=1~5)組裝成的二維納米晶片的表征

 

圖3. 二維納米薄片中BPOSS結晶層的結構鑒定

 

 

圖4. 具有不同BPOSS/APOSS數目比的二維組裝體微觀模型示意圖

 

本研究解析了巨型分子側鏈化學結構與其二維組裝體厚度之間的關系,對二維自組裝納米結構的構筑和結構調控有了更深刻的理解,同時也為二維功能納米材料的結構工程提供更多工具。

中心目前正在構建從基礎研究、應用基礎研究到產業化的系統研究鏈,“高分子結構與動力學平臺”是中心重點建設的五大科研平臺之一。平臺聚焦高分子流變學、結構學和分子動力學等基礎理論研究,深入探究影響材料性能的關鍵科學問題,致力于在基礎研究領域取得原創性成果。

特聘研究員劉浩在結束美國加州大學伯克利分校博士后研究后于201810月加入中心。主要研究方向為高分子結構、巨型分子的合成及自組裝研究等,已發表SCI論文30余篇,包括Nat. Nanotechnol.,J. Am. Chem. Soc.,ACS Nano,Chem. Sci.,Angew. Chem. Int. Ed.。該研究得到國家自然科學基金、上海市科委、東華大學、中央高?;究蒲袠I務費專項資金等資助。(撰稿:馮逢逢 劉蕾

 

原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d1sc00021g


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