CN105951166B - 二维胶体晶体的制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种二维胶体晶体的制备装置：包括水槽、铁架台、移液枪、接液片和亲水玻璃片，水槽的底部为一倾斜面，亲水玻璃片位于水槽底部，移液枪固定在铁架台上；所述接液片包括水平部和倾斜部，水平部和倾斜部的夹角为钝角，水平部位于亲水玻璃片的上表面上且与亲水玻璃片的上表面平行，移液枪的枪头位于倾斜部的下方且倾斜部的上端与移液枪固定在一起。所述接液片由亲水玻璃制成。本发明的装置结构简单、操作方便、效率高，有利于实现有序胶体球模板的快速高效制备。

Description

二维胶体晶体的制备装置
技术领域
本发明涉及胶体晶体制备领域，具体涉及一种二维胶体晶体的制备装置。
背景技术
纳米结构独特的光学、电学等方面的优良特性引起了人们的广泛关注，并发明了许多制备纳米结构的方法，如EBL、纳米压印和干涉光刻技术等。但这些方法大都较为复杂，效率不高，而纳米球刻蚀技术因其能够快速高效制备纳米结构而备受关注，它是一种并行的制备纳米点阵的自组装方法，其核心是二维有序纳米胶体球阵列掩膜的制备。目前能够实现高效制备二维有序纳米胶体球阵列的方法是利用胶体球在气液界面的自组装来完成。
为了实现胶体球在气液界面的自组装得到二维有序结构，必须还要借助一些恰当的设备。比如，先用旋涂法在基片上获得均匀分布，再把基片缓慢插入水中，从而获得二维有序结构；利用微量进样器，在水面上直接成膜；利用液体与固体之间的弯月界面等。这些方法要么效率不高，要么仪器过于精密，操作过于复杂，而且不能用于制备具有两种粒径微球的胶体晶体。气液界面是实现自组装的理想场所，要更好地实现有序二维胶体结构的高效制备和获得结构更为复杂的纳米结构，就需要设计一种更有利于实现胶体球在气液界面自组装并能用于制备双元胶体晶体的装置。
发明内容
本发明为克服现有制备纳米球刻蚀技术中模板制备过程较为复杂、效率不高、二元复合胶体结构制备困难的缺陷，而提供一种二维胶体晶体的制备装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种二维胶体晶体的制备装置：包括水槽、铁架台、移液枪、接液片和亲水玻璃片，水槽的底部为一倾斜面，亲水玻璃片位于水槽底部，移液枪固定在铁架台上；所述接液片包括水平部和倾斜部，水平部和倾斜部的夹角为钝角，水平部位于亲水玻璃片的上表面上且与亲水玻璃片的上表面平行，移液枪的枪头位于倾斜部的下方且倾斜部的上端与移液枪固定在一起。所述接液片由亲水玻璃制成。
所述水槽内表面涂有聚四氟乙烯。
本发明所依据的一种气液自组装的基本原理。自组装是一种自下而上制备纳米结构的方法，要得到二维有序胶体球阵列，那么胶体球首先要充分的分散到一个平面上，接近一种单层分布，但微球之间的间距不能过大，然后把分散好的微球层慢慢转移到水面上。胶体稳定态被毛细力打破，使得凝结核得以形成，从而使胶体晶体单层膜开始生成。随着溶液的不断加入水面毛细力逐渐减弱，毛细力逐渐增大，更有利于单层膜的生成，这是本发明的理论基础。之所以不直接在水面上直接分散微球，是因为水面流动性过大，微球溶液一接触水面就立即散开，造成微球间距过大，不能直接成膜。微球之间毛细力与表面张力的关系为：， 其中R 1、R 2为微球半径，γ为表面张力，K 1为修正贝塞尔函数，q -1为毛细力长度，L为微球间距。
制备胶体膜时，把用乙醇分散后的微球溶液通过移液枪加入到接液片倾斜部的下方，然后将亲水玻璃片慢慢推入到水中（因为接液片与移液枪固定在一起，所以接液片与亲水玻璃片会发生相对运动，使微球溶液先在亲水玻璃片的表面分散开），微球溶液接触到水面时，马拉高尼效应会形成一个短程表面流，把微球分散到水面上。并且在乙醇分散剂的作用下，水亚相的表面张力会随着溶液的不断加入而逐渐降低，而微球之间的毛细力与水面张力成反比，因此微球之间的毛细力会随着溶液的加入不断升高，从而有利于微球的聚集。在静电斥力的作用下，微球之间的粘附几率会相对较低，从而有利于微球调节相对位置，形成二维结构。
本发明产生的有益效果是：本发明的装置结构简单、操作方便、效率高，有利于实现有序胶体球模板的快速高效制备。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为实施例1中接液片的结构示意图；
图3为本发明中实施例1中采用粒径为870nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图；
图4为本发明中实施例1中采用粒径为1300nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。以下所用粒径为870nm、1300nm聚苯乙烯微球溶液购买自Thermo Scientific公司（LatexMicrosphere Suspensions-5000Series），规格分别如下：牌号5088A、粒径870nm、固含量w/v为5%、单分散指数≤3%、规格15ml、溶剂水；牌号5130A、粒径1300nm、固含量w/v为5%、单分散指数≤3%、规格15ml、溶剂水。
实施例1
如图1－2所述，一种二维胶体晶体的制备装置：包括水槽1、铁架台4、移液枪5、接液片3和亲水玻璃片2，水槽1的底部为一倾斜面（右侧高于左侧），亲水玻璃片2位于水槽1底部，移液枪5固定在铁架台4上；所述接液片3包括水平部301和倾斜部302，水平部301和倾斜部302的夹角为钝角（倾斜部302位于水平部301右侧），水平部301位于亲水玻璃片2的上表面上且与亲水玻璃片2的上表面平行，移液枪5的枪头位于倾斜部302的下方且倾斜部302的上端与移液枪5固定在一起。所述接液片3由亲水玻璃制成。所述水槽1内表面涂有聚四氟乙烯，水槽1的左端连接有出水管6。
制备胶体膜时，把用乙醇分散后（将聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按体积1:1混合后超声分散）的聚苯乙烯微球溶液通过移液枪5加入到接液片倾斜部302的下方，然后将亲水玻璃片2慢慢推入到水中（图1中向左运动，刚开始时亲水玻璃片2在水槽右端不接触水面，因为接液片3与移液枪5固定在一起，所以接液片3与亲水玻璃片2会发生相对运动，使聚苯乙烯微球溶液先在亲水玻璃片2的表面分散开），微球溶液接触到水面时，马拉高尼效应会形成一个短程表面流，把微球分散到水面上。并且在乙醇分散剂的作用下，水亚相的表面张力会随着溶液的不断加入而逐渐降低，而微球之间的毛细力与水面张力成反比，因此微球之间的毛细力会随着溶液的加入不断升高，从而有利于微球的聚集。在静电斥力的作用下，微球之间的粘附几率会相对较低，从而有利于微球调节相对位置，形成二维结构。
利用实施例1的装置采用粒径为870nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图如图3所示， 利用实施例1的装置采用粒径为1300nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图如图4所示；从图3、4可以看出，利用本发明的二维胶体晶体的制备装置制备的二维胶体晶体膜中微球呈六角形排列，符合晶体结构特征，证实了这种装置确实能够用来制备二维胶体晶体。

Claims (4)

1.一种二维胶体晶体的制备装置，其特征在于：包括水槽、铁架台、移液枪、接液片和亲水玻璃片，水槽的底部为一倾斜面，亲水玻璃片位于水槽底部，移液枪固定在铁架台上；所述接液片包括水平部和倾斜部，水平部和倾斜部的夹角为钝角，水平部位于亲水玻璃片的上表面上，且水平部与亲水玻璃片的上表面平行，移液枪的枪头位于倾斜部的下方，倾斜部的上端与移液枪固定连接；所述接液片由亲水玻璃制成；所述倾斜部位于水平部右侧；水槽的左端连接有出水管；
所述二维胶体晶体的制备装置的使用方法包括以下步骤，将聚苯乙烯微球与无水乙醇按体积1:1混合后超声分散，把用乙醇分散后的聚苯乙烯微球溶液通过移液枪加入到接液片倾斜部的下方，亲水玻璃片在水槽右端不接触水面，然后将亲水玻璃片向左运动，慢慢推入到水中，使聚苯乙烯微球溶液先在亲水玻璃片的表面分散开，形成二维胶体晶体结构。
2.如权利要求1所述二维胶体晶体的制备装置，其特征在于：所述水槽内表面涂有聚四氟乙烯。
3.如权利要求1所述二维胶体晶体的制备装置，其特征在于：使用时，聚苯乙烯微球采用溶液的方式添加，粒径为870nm的聚苯乙烯微球，溶液规格为牌号5088A、固含量w/v为5%、单分散指数≤3%、规格15mL、溶剂为水。
4.如权利要求1所述二维胶体晶体的制备装置，其特征在于：使用时，聚苯乙烯微球采用溶液的方式添加，粒径为1300nm的聚苯乙烯微球，溶液规格为牌号5130A、固含量w/v为5%、单分散指数≤3%、规格15mL、溶剂为水。
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