CN102942703A - 一种外磁场调控非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法 - Google Patents
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Abstract
一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构以非磁性聚苯乙烯胶体颗粒为构筑基元，利用稀释的磁流体为载体，在外磁场的作用，通过垂直沉积自组装而成。通过控制磁流体的浓度、胶体颗粒纵横比、外磁场的强弱、蒸发温度和压强等，可以得到高度有序、厚度可控、构筑基元取向可控的非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构。本发明制备方法采用垂直沉积自组装法和外磁场调控技术，以非磁性聚苯乙烯胶体颗粒、磁流体为材料，不需要借助任何其他方法，在商业化载玻片上沉积三维周期结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种自组装方法，尤其涉及一种外磁场调控非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法。
背景技术
三维周期结构是一种人造的空间周期结构，因能够利用其带隙效应和缺陷效应实现对光子的自由操纵和控制，在量子信息处理、光信息处理以及生物传感等许多领域具有广泛的应用前景，近年来一直是研究的热点。三维周期结构的制备方法很多，如精密加工技术、半导体制造技术、胶体自组装法、模板法以及激光制造技术等等，而自组装法被认为是制备近红外、光学以及更短波段三维周期结构的最有效的方法。自组装方法主要包括垂直沉积自组装法、重力自组装法、离心自组装法、以及基片提拉法自组装法等。其中，垂直沉积自组装法是通过控制胶体颗粒的尺寸、蒸发温度、压强等几个重要的参数，得到厚度可控的三维周期结构，其工艺及设备简单，组装时间短（一般几个小时）、制备的样品大面积有序且缺陷较少。因此，为了在较短时间内得到大面积结构高度有序的三维周期结构，垂直沉积自组装法成为近年来科研研究者进行球形结构基元三维周期结构制备的首选方法之一。
目前国内外三维周期结构的组装主要采用球形微纳米胶体颗粒，通过利用干燥法、沉降法及自组装法等得到高度有序的周期结构，然后探索其在微纳光子学、微纳生物化学等领域的重要作用。但由椭球胶体颗粒、花生形胶体颗粒、方形、星形颗粒等组成的三维周期结构具有许多特殊的光学性能，在各个领域，特别是在偏振可控新型光学器件方面显示出广泛的应用前景。因而，近年来，非球形胶体颗粒的三维周期结构的组装，引起了人们极大的兴趣。
在非球形胶体颗粒中，椭球颗粒应具有接近于球形的性质，得到了科研工作者的广泛关注，成为非球形微纳米颗粒三维周期结构组装的重要材料。但传统的周期结构制备方法，如干燥法、沉降法及自组装法等由于只满足颗粒的位置有序而无法单独用来制备高质量的椭球形结构基元三维周期结构。2009年，宋凯课题组通过利用外磁场，实现了磁性椭球形γ-Fe2O3SiO2核壳结构的三维周期结构的自组装，并初步证实了该结构的带隙可调。
国内外关于非磁性椭球形胶体颗粒三维周期结构制备的研究很少，主要采用的直接通过利用自组装法来获得非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构，但得到的结构缺陷很多，且颗粒的排列非常杂乱。而关于高质量非磁性椭球形胶体颗粒三维周期结构制备方面的研究成果完全没有，也没有相关的文献发表。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种外磁场调控非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，解决上述非磁性胶体颗粒的有序程度低、重复性低、面积小等技术问题，该方法具有生产成本低、工艺简单且获得的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构具有高度有序、厚度可调等优点。
本发明是这样来实现的，一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于非磁性聚苯乙烯胶体颗粒三维周期结构是以磁流体作为载体，结合垂直沉积自组装法和外磁场调控技术制备而成，包括以下步骤：1）将椭球置于小玻璃瓶中，利用超声池超声60min，使之椭球均匀分散在去离子水中；2）从小玻璃瓶中取出5ml带有椭球的溶液，滴入浓度为0.3%的磁流体0.017ml，并超声始终均匀分布；3）将该玻璃瓶置于真空箱中，控制小玻璃瓶液面处的磁场强度为210G；4）在蒸发温度35℃，压强为45mmHg的条件下，生长6h，得到空隙内充满磁流体的非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构；5）利用氢氟酸蒸汽进行腐蚀，去掉三维周期结构中的磁流体成分，蒸汽腐蚀时间为10min，得到纯聚苯乙烯非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构。
所述在步骤3）中，在小玻璃瓶的上下两端各放置条形磁铁一根，使得掺有非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的磁流体溶液处在匀强磁场中，有利于椭球构筑基元的取向排列。
所述在步骤3）中，在小玻璃瓶的上下两端各放置条形磁铁一根，两条磁铁可以围绕小玻璃瓶同步转动，进而控制椭球构筑基元的取向。
所述在步骤1）中，非磁性聚苯乙烯椭球胶体微球是通过对聚苯乙烯球形胶体颗粒拉伸制得，颗粒的纵横比为1.1~1.7。
所述将步骤4）干燥后的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构至于氢氟酸蒸汽中，使得磁流体完全被腐蚀完毕，只剩下非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构。
构筑基元的短轴半径为微纳米级别。
所使用的磁流体为水基磁流体。
本发明的技术效果是：本发明的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，由于是以磁流体充当溶剂，利用外加两块磁铁组成的平行磁场来对非磁性聚苯乙烯椭球胶体进行高度有序三维周期结构的自组装，可以通过控制磁流体的浓度、胶体颗粒纵横比、外磁场的强弱、蒸发温度和压强等，得到面积较大的非磁性椭球聚苯乙烯胶体颗粒的三维有序排列。本发明中，只用到了真空箱、真空泵、磁流体和磁铁，无需任何其他的外部条件和工艺，因此具有成本低、操纵简单、可重复性高、高度有序的非磁性椭球聚苯乙烯胶体颗粒的三维周期结构。
附图说明
图1非磁性椭球聚苯乙烯椭球胶体颗粒的制备方法系统图；
图2非磁性椭球聚苯乙烯椭球胶体颗粒的SEM图像，纵横比分别为1.1(a)和1.7（b）；
图3 非磁性椭球聚苯乙烯椭球胶体颗粒的自组装装置图；
图4外磁场调控下非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的AFM图像，空隙中填充物为磁流体；
图5利用氢氟酸去掉磁流体后非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的侧面SEM图像。
具体实施方式
本发明的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，主要是采用非磁性椭球形胶体颗粒作为构筑基元，采用磁流体作为分散液，将非磁性椭球形胶体颗粒均匀分散在磁流体中，在外磁场的作用，导致非磁性椭球胶体发生旋转，变得取向有序，并进一步利用垂直沉积自组装法，得到具有磁流体填充的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构，随后，利用氢氟酸蒸汽，将磁流体去掉，得到高度有序非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构。本发明的的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的组织方法，通过以下步骤实现：
为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方法来实现：
一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的组织方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：
1） 将球形聚苯乙烯胶体颗粒均匀分散在PVA中，形成胶体薄膜，悬挂拉伸后（悬挂物重109.227g-118.782g），将胶体薄膜溶于水中，加热出去PVA，得到纵横比(1.3、1.7、1.9三种)均匀的非磁性椭球胶体颗粒。
2） 将非磁性胶体颗粒分散到稀释的水基磁流体中（0.017ml的磁流体与5ml的去离子水掺和），超声使之分布均匀，然后将玻璃基底垂直插入该溶液中，并将盛装溶液的玻璃器皿平稳放入真空箱中。在该器皿的上边和下边放条形磁铁，使得该器皿处于平行磁场中。
3） 控制磁铁与器皿液面的距离得到合适的磁场力（210G），在35℃的蒸发温度，45mmHg的压强下，由于液体的蒸发和外磁场的调控作用，经6h后得到非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的组装。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
本实施方式中的非磁性椭球胶体颗粒的制备主要是利用聚苯乙烯球形颗粒拉伸而成，其制备的示意图如图1所示。制得的聚苯乙烯非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的SEM图像可见图2.颗粒的纵横比为1.1、1.7两种。从图2中可以看出，非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的粒径分布比较均匀、形状基本一致。
实施例2：本实施方式中一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法主要是通过将非磁性椭球胶体颗粒均匀分散在磁流体中，在外磁场调控下，通过垂直沉积自组装方法得到高度有序的三维周期结构。外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装装置系统如图3所示。
实施例3：
本实施方式制备具体实施例2所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，通过以下步骤实现：1）将实施例1中制备得到的椭球置于小玻璃瓶中，利用超声池超声60min，使之椭球均匀分散在去离子水中；2）从小玻璃瓶中取出5ml带有椭球的溶液，滴入浓度为0.3%的磁流体0.017ml，并超声始终均匀分布；3）将该玻璃瓶置于真空箱中，并在其上下两端各放置条形磁铁一根，使之处于匀强电场中，通过调节磁铁的位置，控制小玻璃瓶液面处的磁场强度为210G；4）在蒸发温度35℃，压强为45mmHg的条件下，生长6h，得到空隙内充满磁流体的非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构，如图4所示。由图4可见，非磁性椭球胶体颗粒排列紧密，取向有序，为面心立方结构。
本实施方式中制备工艺简单快速、可操纵性强，能得到非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构。这结构的形成都只是利用外磁场、磁流体和自组装方法得到，无需任何其他的外部条件和工艺，制备工艺成本低。
实施例4：
本实施方式将上述实施例3中得到的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构，利用氢氟酸蒸汽进行腐蚀，去掉三维周期结构中的磁流体成分，蒸汽腐蚀时间为10min，得到纯聚苯乙烯非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构，如图5所示。由图5可见，在外磁场的调控下，利用自组装法制备的非磁性椭球胶体颗粒具有很好的三维周期结构。
Claims (7)
1.一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于非磁性聚苯乙烯胶体颗粒三维周期结构是以磁流体作为载体，结合垂直沉积自组装法和外磁场调控技术制备而成，包括以下步骤：1）将椭球置于小玻璃瓶中，利用超声池超声60min，使之椭球均匀分散在去离子水中；2）从小玻璃瓶中取出5ml带有椭球的溶液，滴入浓度为0.3%的磁流体0.017ml，并超声始终均匀分布；3）将该玻璃瓶置于真空箱中，控制小玻璃瓶液面处的磁场强度为210G；4）在蒸发温度35℃，压强为45mmHg的条件下，生长6h，得到空隙内充满磁流体的非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构；5）利用氢氟酸蒸汽进行腐蚀，去掉三维周期结构中的磁流体成分，蒸汽腐蚀时间为10min，得到纯聚苯乙烯非磁性椭球胶体颗粒的三维周期结构。
2.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于，在步骤3）中，在小玻璃瓶的上下两端各放置条形磁铁一根，使得掺有非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的磁流体溶液处在匀强磁场中，有利于椭球构筑基元的取向排列。
3.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于，在步骤3）中，在小玻璃瓶的上下两端各放置条形磁铁一根，两条磁铁可以围绕小玻璃瓶同步转动，进而控制椭球构筑基元的取向。
4.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于，在步骤1）中，非磁性聚苯乙烯椭球胶体微球是通过对聚苯乙烯球形胶体颗粒拉伸制得，颗粒的纵横比为1.1~1.7。
5.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于，将步骤4）干燥后的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构至于氢氟酸蒸汽中，使得磁流体完全被腐蚀完毕，只剩下非磁性聚苯乙烯椭球胶体颗粒的三维周期结构。
6.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于构筑基元的短轴半径为微纳米级别。
7.根据权利要求1所述的一种外磁场调控的非磁性椭球胶体颗粒三维周期结构的自组装方法，其特征在于，所使用的磁流体为水基磁流体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130227 |