利用星形块共聚物结构作为微型反应容器，研究人员开发了一种改进的技术，用于生产具有一致尺寸、成分和结构的纳米晶体——包括金属、铁电、磁性、半导体和发光纳米晶体。该技术依靠聚合物分子的长度和两种溶剂的比例来控制胶体纳米晶体的大小和均匀性。
该技术可以促进纳米颗粒在光学、电气、光电、磁性、催化和其他应用中的使用，在这些应用中，严格控制尺寸和结构对获得理想的性能至关重要。该技术可以生产出普通的、核壳状和中空的纳米颗粒，这些纳米颗粒可以溶于水或有机溶剂。
“我们已经开发了一种制造不同尺寸范围、组成和结构的大量纳米颗粒的总体策略，”林志群副教授说材料科学与工程学院“，在乔治亚理工学院。“这种非常强大的技术使我们能够制造出各种各样的纳米颗粒，这是其他任何方法都无法轻易生产出来的。”
该技术在该杂志6月号上进行了描述自然纳米技术．该研究得到了空军科学研究办公室的支持。
星形块体共聚物结构由一个中心β -环糊精核心组成，多个“臂”——多达21个线性块体共聚物与之共价结合。星形块状共聚物形成单分子胶束，作为反应容器和纳米晶体形成的模板。
单分子胶束的内部块是聚丙烯酸(PAA)，它是亲水的，允许金属离子进入它们。一旦进入由PAA组成的微型反应容器，离子就会与PAA反应形成纳米晶体，其大小从几纳米到几十纳米不等。纳米颗粒的大小由PAA链的长度决定。
该嵌段共聚物结构可以由亲水的内嵌段和疏水的外嵌段-两亲嵌段共聚物组成，由此产生的纳米颗粒可以溶解在有机溶剂中。然而，如果内外嵌段都是亲水性的——所有亲水性嵌段共聚合物——产生的纳米颗粒将是水溶性的，这使它们适合于生物医学应用。
林和合作者庞新昌、赵磊、韩伟和辛徐凯发现，他们可以通过改变形成纳米颗粒的两种溶剂——二甲甲酰胺和苯甲醇的体积比来控制纳米颗粒的均匀性。例如，对于铁电钛酸铅(PbTiO3)纳米颗粒，9比1的溶剂比例可以产生最均匀的纳米颗粒。
研究人员还制备了氧化铁、氧化锌、氧化钛、氧化亚铜、硒化镉、钛酸钡、金、铂和银纳米晶体。Lin说，该技术可以应用于几乎所有的过渡或主基团金属离子和有机金属离子。
他补充说:“我们能够创造的纳米颗粒的结晶度是许多应用的关键。”“我们需要让它们具有良好的晶体结构，这样它们才能表现出良好的物理性能。”
Lin说，早期用线性嵌段共聚物生产聚合物胶束的技术受到结构稳定性和所产生纳米晶体的一致性的限制。目前的制备技术包括有机溶液-相合成，有机金属前驱体的热分解，溶胶-凝胶过程，水热反应和仿生或树状聚合物模板。这些现有的技术通常需要严格的条件，很难推广，包括一系列复杂的步骤，并不能承受周围环境的变化。
相比之下，乔治亚理工学院的研究人员开发的纳米颗粒生产技术是通用的和稳健的。纳米颗粒在很长一段时间内保持稳定和均匀——到目前为止长达两年——没有沉淀。林说，这种灵活性和稳定性可以带来一系列的实际应用。
“我们的星形嵌段共聚物可以克服传统线性嵌段共聚物的热力学不稳定性，”他说。“内部PAA块的链长决定了纳米颗粒的大小，纳米颗粒的均匀性受到系统中使用的溶剂的影响。”
研究人员使用了各种星形二嵌段和三嵌段共聚物作为纳米反应器。其中包括聚(丙烯酸)-嵌段聚苯乙烯(PAA-b-PS)和聚(丙烯酸)-嵌段聚(环氧乙烷)(PAA-b-PEO)二嵌段共聚物，聚(4-乙烯吡啶)-嵌段聚(丙烯酸叔丁酯)-嵌段聚苯乙烯(P4VP-b-PtBA-b-PS)，聚(4-乙烯吡啶)-嵌段聚(丙烯酸叔丁酯)-嵌段聚(环氧乙烷)(P4VP-b-PtBA-b-PEO)，聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)-嵌段-聚苯乙烯(PS-b-PAA-b-PS)和聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)-嵌段-聚(环氧乙烷)(PS-b-PAA-b-PEO)三嵌段共聚物。
对于未来，Lin设想了更复杂的具有多功能外壳和额外形状的纳米晶体，包括纳米棒和所谓的“Janus”纳米颗粒，它由两种不同材料的双相几何结构组成。
欲了解更多信息，请访问www.gatech.edu．
了下:快速原型
