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JACS:三維尺度上實現(xiàn)自組裝2D片晶的功能調(diào)控

來源:化學加原創(chuàng)      2023-11-27
導讀:近日,英國伯明翰大學的研究人員Andrew P. Dove和Rachel K. O’Reill在調(diào)控自組裝2D片晶的三維結(jié)構(gòu)方面取得新進展,相關(guān)研究成果以“Tuning the Functionality of Self-Assembled 2D Platelets in the Third Dimension”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。本文報道了利用活性結(jié)晶自組裝策略構(gòu)筑了尺寸可調(diào)的含聚己內(nèi)酯(PCL)的2D片晶。通過利用功能化單體和光誘導聚合策略可以實現(xiàn)在三維尺度上對片晶功能調(diào)控。該方法可以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的高度和熒光性能的選擇性調(diào)控,加深了對復雜2D片晶特定區(qū)域表面功能化的理解。文章鏈接DOI: 10.1021/jacs.3c08770。

正文

片狀形貌的兩維(2D)納米結(jié)構(gòu)具有表面積大、縱橫比可調(diào)、形貌規(guī)則、良好的光學/催化性質(zhì)等特點而被廣泛研究?;钚越Y(jié)晶自組裝(Crystallization-driven self-assembly, CDSA)策略被認為是構(gòu)建不同尺寸2D納米結(jié)構(gòu)的有效策略。目前,2D片晶的功能化修飾可通過加入功能化的聚合物實現(xiàn)。但是該方法面臨2D結(jié)構(gòu)受限于功能化聚合物的種類,聚合影響自組裝進程等不足。因此,目前有關(guān)利用活性CDSA策略制備3D組裝體的研究鮮有報道。同時,有關(guān)在2D晶體表面進行三維修飾的工作也非常具有挑戰(zhàn)性。下載化學加APP到你手機,更加方便,更多收獲。

本文報道了一種實現(xiàn)CDSA片晶三維形貌轉(zhuǎn)換的有效策略(Scheme 1)。作者證明了該策略可以成功制備多層2D片晶并可以通過光誘導聚合實現(xiàn)表明功能化。利用該策略還可以實現(xiàn)對片晶表面熒光單體的修飾,從而可以對2D納米結(jié)構(gòu)進行可視化追蹤。此外,還可以通過改變表面的高度和性能對2D片晶的功能進行調(diào)控。

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Scheme 1. 在光誘導聚合作用下,利用活性CDSA策略和表面修飾方法制備基于PCL的2D片晶的技術(shù)路線示意圖
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

根據(jù)文獻報道,合成的PCL50-b-PDMA198嵌段共聚物(BCP)經(jīng)CDSA過程會形成多分散柱體形貌。在超聲波的作用下得到小晶種,經(jīng)活性結(jié)晶自組裝成為2D片晶(Figure 1a)。PCL/PCL-b-PDMA單體的加入可以實現(xiàn)對2D片晶的生長調(diào)控。PCL均聚物的含量直接決定了2D結(jié)構(gòu)的生長外延方向,PCL-b-PDMA的加入能夠獲得1D圓柱體形貌。作者利用透射電鏡和原子力顯微鏡對晶體的形貌進行了表征(Figure 1b),從圖中可以看出通過改變單體-晶種的比例可以調(diào)節(jié)片晶的維度。

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Figure 1. 精準調(diào)控2Dp片晶的生長:(a)  利用活性CDSA策略制備PCL/PCL-b-PDMA 片晶的技術(shù)路線;(b)含不同單元的2D片晶的電鏡圖片
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在1D晶種完成2D外延生長后,作者探究了片晶是否可以制備得到雙層結(jié)構(gòu)(Figure 2a)。PCL和PCL-b-PDMA共聚物單體傾向于在晶體的暴露面生長。因此,引入的單體更傾向于沉積在片狀晶體的邊緣而不是自發(fā)成核。此外,形貌良好的三層/四層片晶也可以通過相似步驟制備。作者對晶體的形貌進行了透射電鏡和原子力顯微鏡表征(Figure 2b)。為了進一步驗證策略的精確度和適用范圍,作者用熒光染料aminochloromaleimide(ACM)功能化修飾均聚物PCL-ACM和嵌段共聚物PCL-b-PDMA-ACM。通過調(diào)整晶種溶液中的熒光/非熒光共聚物單體的添加量,各種圖案的片晶可以被共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)和受激輻射損耗顯微鏡(stimulated emission depletion,STED)清晰成像(Figure 2c)。

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Figure 2. 微晶的多層板結(jié)構(gòu):(a)制備多層片晶的機制;(b)四層片晶的原子力和透射電子顯微照片;(c)熒光修飾的多層片晶的共聚焦和超分辨成像照片

(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

為了提升納米結(jié)構(gòu)的可調(diào)性,作者開展了對基于2D的PCL片晶表面修飾的研究(Figure 3a)。在證明片晶在光聚合下被均質(zhì)單體和熒光單體成功改性后,作者對片晶的高度進行了調(diào)控。原子力顯微鏡結(jié)果表明隨著單體濃度的改變,片晶的高度也隨之發(fā)生變化(Figures 3b,c)。隨著二甲基乙酰胺(DMA)質(zhì)量濃度的增加,片晶的高度大約在22 nm。

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Figure 3. 光誘導聚合的原位表面改性:(a)光誘導聚合生長法進行表面修飾的策略;(b)片晶高度和DMA濃度之間的關(guān)系圖;(c)不同DMA濃度對應(yīng)的片晶高度數(shù)據(jù)
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

最后,作者利用原位表面改性的方法對片晶的特定區(qū)域進行了選擇性功能化以滿足片晶具備更多的應(yīng)用場景(Figure 4a)。通過調(diào)節(jié)可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)的活性位點在片晶上的位置,作者使用了含/不含RAFT試劑的活性CDSA方法制備得到了多層片晶。本文中,作者利用光誘導聚合策略延展了具有鏈端活性的聚合物長鏈?;谠摬呗?,原子力顯微鏡數(shù)據(jù)表明含RAFT的內(nèi)層高度增加,不含RAFT的外層高度則沒有明顯變化(Figure 4b)。將熒光單體加入到含RAFT尾端基團區(qū)域后,從共聚焦顯微圖像和受激輻射損耗顯微圖片中可以看到綠色環(huán)狀多層片晶,證明經(jīng)表面修飾后復雜層次結(jié)構(gòu)的形成。

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Figure 4. 光誘導聚合的2D微盤表面改性的空間選擇性:(a)片晶表面的選擇性空間修飾;(b)雙層片晶在光誘導聚合前后的原子力圖像和高度數(shù)據(jù);(c)多層片晶的顯微圖像
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

總結(jié)

英國伯明翰大學的研究人員Andrew P. Dove和Rachel K. O’Reilly報道了基于利用活性結(jié)晶自組裝策略制備均一的2D片晶的方法。通過添加基于 PCL 的均聚物和維度可控、分散均勻的嵌段共聚物,以此形成均勻的 2D 片晶。此外,向1D和2D前驅(qū)體溶液中選擇性地順序添加熒光改性的PCL共混物可以成功制備出具有膠體穩(wěn)定性和形貌完整的多層片晶。同時,通過利用功能化單體和光誘導聚合策略可以實現(xiàn)對片晶的功能調(diào)控。該研究介紹的原位改性2D片晶表面性質(zhì)的方法為柔性材料的表面功能化提供了可能性,在材料科學和聚合物化學領(lǐng)域彰顯了巨大的應(yīng)用潛力。

文獻詳情:

Tianlai Xia, Zaizai Tong, Yujie Xie, Maria C. Arno, Shixing Lei, Laihui Xiao, Julia Y. Rho, Calum T. J. Ferguson, Ian Manners, Andrew P. Dove,* Rachel K. O’Reilly*Tuning the Functionality of Self-Assembled 2D Platelets in the Third Dimension. J. Am. Chem. Soc. 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c08770

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