CN101125658A - 一种简便的人工蛋白石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简便的人工蛋白石的制备方法及设备，包括制备胶体小球溶液，向组装池内注入胶体小球溶液，经烘干形成光子晶体，所述的组装池由两块玻璃板及两块玻璃板间夹紧的带若干刻痕的高分子薄膜框形成。本发明制备光子晶体的方法操作简单易行，玻璃板容易重复利用，不会给环境带来污染，干燥过程中的高分子薄膜不会收缩，避免给光子晶体样品造成更多的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工蛋白石的制备方法及设备，这种人工蛋白石材料具有三维光子晶体的一些特点，在可见光区能够控制某些波段的光在其内部的传播。
背景技术
具有周期性有序结构光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出。光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物，如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样，光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构，这些被禁止的频率区域称为光子禁带(Photonic Band Gap)，相关介绍可见宋海清、徐雷的《光子晶体的原理与应用》(“物理实验”2004第24卷、第6期3-7页)。
在此之后人们对光子晶体展开了更进一步的研究，特别是具有三维周期性有序结构的光子带隙材料的制备、应用和理论研究已成为世界各国研究的热点。利用自组装方式将粒径均匀的亚微米介质小球构筑成具有三维周期性有序化结构材料是近10年来研究光子晶体制备的最有前途的方法之一。在传统的制备方法基础上，人们已经能将几百纳米等粒径氧化硅微球构筑成具有一定形状的类蛋白石结构(即三维周期性有序结构)，如丁观军等在浙江大学硕士学位论文《SiO2/Ag/SiO2核壳结构亚微米微球制备及其密堆结构组装与性能研究》中描述了制备大块面心立方和反面心立方结构三维光子晶体的方法，结果表明产生的带隙可以覆盖紫外到微波的所有波段。
现有技术中，如光刻物体限制自组装法能够制备出大面积具有三维周期性有序结构的人工蛋白石(光子晶体)，参见图1，(相关文献可参见Byron Gates，Dong Qin，and Younan Xia的《Assembly of Nanoparticles intoOpaline structures over Large Areas》“ADVANCE MATERIAL”1999第2卷NO6.)，光刻物体限制自组装法是在两层玻璃衬底中间用光刻胶做成一个光刻胶方框，两层玻璃与光刻胶方框形成了一个组装池。在光刻胶方框一边的表面上做一排孔道，孔道的高度(h)小于微球的直径(d)。在上面的玻璃衬底上开一个小洞，小洞上面装一个玻璃管，胶体小球溶液从玻璃管中注入组装池内，由于玻璃管中通入氮气产生正压力迫使溶剂从孔道中流出，而胶体小球会在组装池的一端沉积下来形成密堆积结构。
但这种技术需要复杂的涂胶，光刻等步骤，需要多种模板来形成光刻胶的方框，工艺技术要求较高，操作复杂，需要大量的人力和物力。基于以上方法的缺点，我们提出一种简单方便的制备人工蛋白石(光子晶体)的方法。
发明内容
本发明提供一种操作方便的人工蛋白石(光子晶体)的制备方法。
一种简便的人工蛋白石的制备方法，包括(1)制备胶体小球溶液；(2)不用复杂的光刻技术，而直接利用高分子薄膜材料来制备组装池，即直接将高分子薄膜材料加工成具有一定形状的薄片(如方框环，圆环，三角环等)，并在薄片的一边用刀片划出若干划痕，然后放在两个玻璃片之间，形成一个新的物体限制组装池；(3)向组装池内注入胶体小球溶液后通入氮气，经自组装后形成三维周期性有序结构的堆积，经晾干后，40～80度烘干得到具有鲜艳颜色的人工蛋白石材料，这种蛋白石所显示的反射和透射的颜色互补，并且随着氧化硅胶体微球的粒径改变而发生改变。
所述的胶体小球溶液通过如下方法制备：
以体积份数计，将40-50份无水乙醇、8-10份去离子水和1份质量百分比浓度为30％的氨水混合，在40度水浴中待温度稳定后加入2-3份正硅酸乙酯，40度水浴加热4小时，最后加入40-50份水后混合均匀后将体系用减压蒸馏的方法进行浓缩到加水前的体积，得到种子样品；
以体积份数计，将2-3份种子样品，40-50份无水乙醇、8-10份去离子水和1份质量百分比浓度为30％的氨水混合，在40度水浴中待温度稳定后加入2-5份正硅酸乙酯，40度水浴中加热4小时后冷却到室温，得到胶体小球溶液。
所述的胶体小球的粒径为200-500纳米。在此步骤中正硅酸乙酯的加入量决定了胶体小球的粒径，正硅酸乙酯的用量比例越大，胶体小球的粒径也就越大，通过调整，正硅酸乙酯的用量，可以得到预定粒径的胶体小球。
本发明还提供了一种用于制备光子晶体的设备，包括组装池，所述的组装池由两块玻璃板夹紧带有若干刻痕的高分子薄膜框形成。
所述的组装池由两块玻璃板夹紧带有若干刻痕的高分子薄膜框(或者圆环，三角环等)形成，通过上面的玻璃板的开孔，向组装池内注入胶体小球溶液，胶体小球中的水分沿高分子薄膜的刻痕排出，胶体小球在高分子薄膜框内缘沉积，堆积。
胶体小球经自组装后形成三维周期性有序结构的堆积，经干燥，得到具有鲜艳颜色的人工蛋白石，这种人工蛋白石所显示的反射和透射的颜色互补，并且随着氧化硅胶体微球的粒径改变而发生改变。
所述的高分子薄膜框的厚度为12～25微米；材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；或聚氯乙烯，聚二氯乙烯等能形成2～25微米厚度的聚合物材料。
所述的高分子薄膜框的形状可以是能够围成封闭区域的任意形状，如方框环，圆环，三角环等，围成的封闭区域与两块玻璃板形成组装池。
所述的刻痕的目的使让水分排出而阻止胶体小球的排出，因此一般要求是刻痕的深度小于胶体小球的粒径，在这个前提条件下，刻痕越深，刻痕的数量越多，水分排出也就越快。
在向组装池内通入氮气过程中，间隔性对整个组装池进行超声波振荡，利于水分排出，同时也使胶体小球排列更规则。
本发明制备光子晶体的方法操作简单易行，玻璃板容易重复利用，不会给环境带来污染，所得到的人工蛋白石(光子晶体)样品的缺陷较少。
附图说明
图1：传统的光刻自组装的原理图；
图2：本发明薄膜法自组装设备剖面示意图；
具体实施方式
实施例1胶体小球溶液的制备
以体积份数计，将40份无水乙醇、8份去离子水、1份氨水(质量百分比浓度30％)混合，在40度水浴中待温度稳定后加入2份正硅酸乙酯，40度水浴加热4小时，最后加入40份水后混合均匀后将体系浓缩到加水前的体积得到种子样品。
以体积份数计，将2份种子样品，40份无水乙醇、8份去离子水、1份氨水(质量百分比浓度30％)混合，在40度水浴中待温度稳定后加入3份正硅酸乙酯，40度水浴中加热4小时后冷却到室温，得到胶体小球溶液，胶体小球的粒径为200-300纳米。
关于胶体小球制备的相关理论也可参见刘世权、王立民、刘福田、蒋民华的文章《SiO2微球的制备与应用》(“功能材料”2004年第1期(35)卷)。
实施例2胶体小球溶液的制备
以体积份数计，将50份无水乙醇、10份去离子水、1份氨水(质量百分比浓度30％)混合，在40度水浴中待温度稳定后加入3份正硅酸乙酯，40度水浴加热4小时，最后加入50份水后混合均匀后将体系浓缩到加水前的体积得到种子样品。
以体积份数计，将3份种子样品，50份无水乙醇、10份去离子水、1份氨水(质量百分比浓度30％)混合，在40度水浴中待温度稳定后加入5份正硅酸乙酯，40度水浴中加热4小时后冷却到室温，得到胶体小球溶液，胶体小球的粒径为400-500纳米。
实施例3人工蛋白石(光子晶体)的制备
参见图2，将玻璃板2、玻璃板3抛光洗净，玻璃板2、玻璃板3间夹有带若干刻痕5的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜框4，将玻璃板2、玻璃板3夹紧，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜框4的厚度为20微米，刻痕深度约为180纳米。在加工刻痕时可以手工用一定尺寸的刀具在薄膜框4上划出刻痕。
玻璃板2、玻璃板3及薄膜框4围成的空间为组装池，通过上面的玻璃板2的开孔及粘在开孔上的管1，向组装池内注入实施例1制备的胶体小球溶液，在通过管1向组装池内通入氮气，同时间隔性进行超声波振荡，胶体小球中的水分在氮气吹动下沿薄膜框4的刻痕排出，胶体小球6在高分子薄膜框4的内缘沉积，经过一段时间后，待小球将组装池内的全部空间和部分空间充满，显示出一定的光泽后，晾干后，将整个装置在60度烘干后剥离玻璃板，得到具有三维周期性有序结构的人工蛋白石(光子晶体)。
Claims (7)
1.一种简便的人工蛋白石的制备方法，包括制备氧化硅胶体小球溶液；向组装池内注入氧化硅胶体小球溶液后通入氮气，氧化硅胶体小球自组装形成三维周期性有序结构堆积，经晾干后、烘干得到人工蛋白石材料，其特征在于，所述的胶体小球溶液通过如下方法制备：
以体积份数计，将40-50份无水乙醇、8-10份去离子水和1份质量百分比浓度为30％的氨水混合，在40度水浴中待温度稳定后加入2-3份正硅酸乙酯，40度水浴加热4小时，最后加入40-50份水后混合均匀后将体系浓缩到加水前的体积得到种子样品；
以体积份数计，将2-3份种子样品，40-50份无水乙醇、8-10份去离子水和1份质量百分比浓度为30％的氨水混合，在40度水浴中待温度稳定后加入2-5份正硅酸乙酯，40度水浴中加热4小时后冷却到室温，得到胶体小球溶液。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的胶体小球的粒径为200-500纳米。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在向组装池内通入氮气过程中，间隔性对整个组装池进行超声波振荡，以利于水分排出。
4.一种用于制备人工蛋白石的设备，包括组装池，其特征在于：所述的组装池由两块玻璃板夹紧带有若干刻痕的高分子薄膜框形成。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的高分子薄膜框的厚度为2～25微米。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的高分子薄膜框材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚二氯乙烯。
7.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的刻痕的深度小于胶体小球的粒径。
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