CN106335870A - 纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法及其形成的具有环形图案的基片和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法，该方法包括：将非挥发性的纳米材料分散于浸润性挥发性溶剂中，得到纳米材料分散液，将所述纳米材料分散液置于基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，蒸发除去浸润性挥发性溶剂。本发明还提供了上述方法制得的具有环形图案的基片。本发明还提供了上述基片在细胞培养、制备场效应晶体管、制备布拉格谐振器和制备电极中的应用。通过本发明的方法，能够简单且廉价地制得具有环形图案的基片。

Description

纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法及其形成的具有环形图案 的基片和应用
技术领域
本发明涉及一种纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法及其形成的具有环形图案的基片和应用。
背景技术
碳纳米管具有极佳的导电性能、光学性能、机械性能、结构性能以及生物相容性。其作为半导体及导体器件的材料，在纳米电子器件、纳米传感器、纳米尺度晶体管中具有广泛的应用前景。其极佳的生物相容性，在细胞组织培养、药物缓释、干细胞定向分化等方面也极具潜力。具有一定几何形貌的碳纳米管图案(碳纳米管直线图案、波浪形图案、环形图案、网孔状图案等等)在电子学、布拉格谐振器、光电通信及组织工程支架等方面的应用更是广泛。但是，传统的制备纳米/微米尺度碳纳米管图案的方法(光刻法、电子束光刻法、软刻蚀及纳米压印技术等)工艺复杂且花费较大，因此，目前急需一些制备碳纳米管图案的简单且廉价的工艺方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的由纳米材料形成的环形图案的方法所存在的工艺复杂且花费较大的缺陷，提供了一种方法非常简单且廉价的纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法及其形成的具有环形图案的基片和应用。
本发明的发明人深入研究发现，于下述浸润性挥发性溶剂中分散下述纳米材料，而得到所述纳米材料分散液，当将所述纳米材料分散液置于基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面时，能够仅通过蒸发的方式就能够在基底材料上形成由纳米材料组成的环环相套的结构，从而简单且廉价地制得具有环形图案的基片。并由此完成了本发明。
为此，本发明提供了一种纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法，该方法包括：将非挥发性的纳米材料分散于浸润性挥发性溶剂中，得到纳米材料分散液，将所述纳米材料分散液置于基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，蒸发除去浸润性挥发性溶剂；所述浸润性挥发性溶剂为水、C1-C3的烷醇、丙酮、DMF、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和苯中的一种或多种。
本发明还提供了上述方法所制得的具有环形图案的基片。
本发明还提供了上述基片在细胞培养、制备场效应晶体管、制备布拉格谐振器和制备电极中的应用。
通过本发明的方法，能够简单且廉价地制得具有环形图案的基片，并且所得的这样的精密的由纳米材料自组装形成的环形图案的基片能够用于细胞培养、场效应晶体管制备、布拉格谐振器制备和电极制备等领域。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种实施方式中实现方式(i)的装置。
图2是本发明的实施例1所得的具有环形图案的基片示意图及其局部放大照片。
图3是本发明的实施例2所得的具有环形图案的基片示意图及其局部放大照片。
图4是本发明的实施例3所得的具有环形图案的基片示意图及其局部放大照片。
图5为根据本发明的一种实施方式的蒸发形成具有环形图案的基片的过程。
图6为本发明的形成半凹液面的方式(ii)的示意图。
图7为测试例1的细胞培养第1天的显微镜图。
图8为测试例1的细胞培养第2天的显微镜图。
图9为测试例1的细胞培养第3天的显微镜图。
图10为测试例1的细胞培养第4天的显微镜图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，所述具有环形图案的基片是指，在基底材料上形成有多个环相套而形成的图案，其中单个环是由纳米材料组成。
本发明提供了一种纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法，该方法包括：将非挥发性的纳米材料分散于浸润性挥发性溶剂中，得到纳米材料分散液，将所述纳米材料分散液置于基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，蒸发除去浸润性挥发性溶剂；所述浸润性挥发性溶剂为水、C1-C3的烷醇、丙酮、DMF、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和苯中的一种或多种。
根据本发明，所述非挥发性的纳米材料是指所采用的纳米材料不会在随后的蒸发过程中大量蒸发出，本发明可以采用满足这样的条件的任何选自非挥发性的碳纳米材料、非挥发性的金属氧化物纳米材料和非挥发性的聚合物纳米材料中的一种或多种。更优选地，所述非挥发性的碳纳米材料为碳纳米管、富勒烯纳米球、碳纳米线和碳纳米棒中的一种或多种。优选地，所述非挥发性的金属氧化物纳米材料为氧化锌(ZnO)、三氧化二镓(Ga2O3)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锡(SnO2)、氧化锗(GeO2)、氧化铜(CuO)、氧化铟(In2O3)和氧化钛(TiO2)等的纳米线或纳米棒中的一种或多种。优选地，所述非挥发性的聚合物纳米材料为聚苯乙烯纳米球、聚对本二甲酸乙二醇酯纳米球、聚乙烯纳米球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米球、聚碳酸酯纳米球、聚氨酯纳米球和聚二甲基硅氧烷纳米球中的一种或多种。
更优选地，所述非挥发性的纳米材料为碳纳米管、聚苯乙烯纳米球和氧化锌纳米线中的一种或多种。
优选情况下，所述非挥发性的纳米材料的尺寸为1nm-100μm，更优选为10nm-50μm，更进一步优选为20-50nm。
所述非挥发性的纳米材料更进一步优选为碳纳米管，特别是直径为10-20nm、长度为2-100μm的碳纳米管(更优选为直径为10-20nm、长度为2-5μm的碳纳米管)，作为这样的碳纳米管可以是单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
根据本发明，所述浸润性挥发性溶剂是指较易于挥发的且与基底接触角小于90°的溶剂，特别优选采用能够在20-150℃下挥发的浸润性溶剂，本发明采用的是满足这样的条件的水、C1-C3的烷醇(甲醇、乙醇和丙醇)、丙酮、DMF、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和苯中的一种或多种作为所述浸润性挥发性溶剂。所述浸润性挥发性溶剂优选为水、乙醇、丙酮和DMF中的一种或多种。
所述分散是指将所述非挥发性的纳米材料与所述浸润性挥发性溶剂尽量混合均匀，包括不溶解的分散，也包括溶解于溶剂中的分散，因此所述纳米材料分散液也包括纳米材料溶液的意思。将所述非挥发性的纳米材料分散于所述浸润性挥发性溶剂中便可得到纳米材料分散液，例如通过超声振荡分散，从而通过这样的纳米材料分散液在基底材料上的蒸发来制得本发明的具有环形图案的基片。因此，本发明对所述纳米材料分散液中纳米材料的浓度并没有特别限定，只要能够达到上述目的即可，优选地，所述纳米材料分散液中，所述纳米材料的浓度为0.05-1mg/mL，更优选为0.05-0.5mg/mL。
特别是当采用水作为所述浸润性挥发性溶剂时，为了使得所述非挥发性的纳米材料能够更好地分散于水中，可以加入表面活性剂来促进分散。优选地，所述表面活性剂为正十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和/或正十二烷基磺酸钠(SDS)。对所述表面活性剂的用量并没有特别限定，只要能够使得所述纳米材料分散液中分散有上述含量的非挥发性的纳米材料即可，优选地，在所述纳米材料分散液中，所述非挥发性的纳米材料与所述表面活性剂的重量比为0.01-0.2：1。
根据本发明，所述基底材料的选择使得所述溶剂与基底接触角小于90°，且可以使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，因此优选采用Hamaker常数为正的基底材料。作为本发明的基底材料可以选自由以下材料组成的组中的一种或多种：金属材料：金、银、铜、铁、铝、锌、钛、镁及它们任选组合的合金，更优选金；高分子材料：聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷，更优选聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯；无机材料：氮化硅、硅片、云母片、玻璃和二氧化硅，更优选云母片、二氧化硅和玻璃；以及表面镀有金、银、铜、铁、铝、锌、钛、镁中的一种或多种的聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷。其中，表面镀有金属的基底为喷涂、电镀或溅射上金属表面的基底，优选采用金或采用表面为金的基底作为本发明的基底材料(特别优选采用表面镀有金的聚苯乙烯作为本发明的基底材料)，这样可以形成性能更为优良的环形图案的基片而且成本也较低。
优选地，所述基底材料选自由金、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、云母片、二氧化硅、玻璃以及表面镀有金的聚苯乙烯和表面镀有金的聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的组中的一种或多种。更优选地，所述基底材料为金以及表面镀金的聚苯乙烯和表面镀金的聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
根据本发明，为了能够形成环形图案的基片，较为合适的选择是采用表面较为平整的基底材料。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述非挥发性的纳米材料为碳纳米管，所述浸润性挥发性溶剂为水，所述基底材料为金、聚苯乙烯、硅片、云母片和玻璃中的一种或多种。
在本发明的一种特别优选的实施方式中，所述非挥发性的纳米材料为碳纳米管，所述浸润性挥发性溶剂为水，所述基底材料为金、表面镀金的聚苯乙烯和表面镀金的聚对苯二甲酸乙二醇酯一种或多种。当采用金或者表面镀金的聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯作为本发明的基底材料时，可以同时获得具有部分的平滑圆环线和部分的波浪线的分布且波浪线的环与环之间有一定的连接分布(如图3所示)的环形图案的基片，这样的基片具有优越的电学性能。
根据本发明，只要将上述纳米材料分散液置于上述基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，再进行蒸发除去所述基底材料上的纳米材料分散液中含有的浸润性挥发性溶剂即可获得本发明的具有环形图案的基片。优选地，(i)使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面的方式为在所述基底材料上围成环形空间，使得纳米材料分散液加入到该环形空间内后呈凹液面，或者(ii)使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈半凹液面的方式为在所述基底材料上放置圆形构件，使得纳米材料分散液加至围绕该圆形构件呈半凹液面。
实现方式(i)的方法例如可以是在底部为或底部放置有所述基底材料的圆形器皿中(可以加盖也可以不加盖，但是为了利于环的形成，优选采用加盖的方式，如图1所示的装置)，将所述纳米材料分散液加入该器皿内，从而形成凹液面；或者在所述基底材料上放置一个环形构件从而在所述基底材料上形成一个环形壁，例如铜线环，再在由该环形构件围成的空间内加入所述纳米材料分散液，从而形成凹液面(如图5中第二步的凹液面)；另外，还可以形成两个以上不同直径的环形壁套在一起的几何形状，并在这样的多个环形壁之间加入相应的分散液。
作为方式(ii)的圆形构件可以为圆柱形构件、针形构件等，只要能够使得纳米材料分散液围绕该圆形构件呈半凹液面即可。这里的半凹液面指的是分散液沿着与基底材料垂直的圆形构件的边沿形成的往基底材料与圆形构件接触线有下凹形状的液面(如图6所示，在圆形构件边沿两侧的分散液液面便呈现所谓的半凹液面)。
优选情况下，方式(i)中，所述纳米材料分散液的加入使得凹液面的最底面距所述基底材料的距离为210μm以内，更优选为20-210μm。优选地，所形成的环形空间的直径为10-100mm。
根据本发明，对所述蒸发并没有特别的限定，只要能够将浸润性挥发性溶剂除去从而形成本发明的环形图案的基片即可，优选情况下，所述蒸发的温度为50-120℃。实现蒸发的方式可以是对基底材料的底部加热的方式，也可是放入到烘箱等密闭加热体系中加热蒸发，或者直接在室温下放置而自然蒸发。
在本发明的一种优选的实施方式中，该蒸发过程如图5所示的，在所述浸润性挥发性溶剂的不断挥发过程中作为溶质的所述非挥发性的纳米材料会在液体边缘与基底接触处沉积下来，从而通过所述非挥发性的纳米材料之间、所述非挥发性的纳米材料与所述浸润性挥发性溶剂之间、所述非挥发性的纳米材料与基底材料之间、所述浸润性挥发性溶剂与基底材料之间的相互作用力的平衡，使得在所述基底材料上形成一环套一环的具有环形图案的基片。
本发明还提供了上述方法制得的具有环形图案的基片。
本发明制得的环形图案为环环相套的结构，作为这样的环环相套的结构可以具有多种形貌，例如呈现为散点状分布(如图2所示)、从中心至边沿依次呈平滑圆环线分布、具有部分的平滑圆环线和部分的波浪线的分布且波浪线的环与环之间有一定的连接分布(如图3所示)、较平滑的圆环线分布(如图4所示)等。
优选地，该基片上具有的环形图案为环环相套的结构，其环宽度为5-50μm，环间距为10-300μm(更优选地：环宽度为10-50μm，环间距为10-200μm)。这里的环宽度是指单个环的外边沿和内边沿之间的宽度，环间距是指相邻两环相邻的边沿之间间隔的距离。
本发明还提供了上述具有环形图案的基片在细胞培养、制备场效应晶体管、制备布拉格谐振器和制备电极中的应用。
其中，上述具有环形图案的基片可应用于骨细胞、神经细胞、心肌细胞、间充质干细胞等细胞的培养，细胞可以沿着基片上的每个环或沿两个环之间空隙排列生长，从而也可以使排列生长的细胞分泌的黏着斑蛋白也沿基片上的每个环或两个环之间的空隙排列。这样的排列生长的细胞具有一定的方向性，可使干细胞定向分化为神经细胞，在组织工程中用于治疗脑损伤。
上述具有环形图案的碳纳米管在制备场效应晶体管中的应用中可以用作半导体材料。
上述具有环形图案的基片在制备布拉格谐振器中的应用中可作为环形的布拉格谐振器。
上述具有环形图案的基片在制备电极中的应用中，每个环形图案上的环都可以作为导线，从而提供一定的导电图案。
本发明的上述方法可以较为简单便捷地制得本发明所述的具有环形图案的基片，特别是具有多个环环相套的环形图案的基片，从而能够适用于细胞培养、场效应晶体管制备、布拉格谐振器制备和电极制备等领域。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的具有环形图案的基片及其组装方法。
采用图1的装置，其中，基底材料为聚苯乙烯，并且同样采用聚苯乙烯围绕基底材料形成一个环形外壁，从而组成如图1所示的圆形器皿(直径为35mm)，用去离子水超声清洗该圆形器皿，随后用乙醇清洗，再用氮气吹干。
将多壁碳纳米管(购自Shenzhen Nanotech Port Co.,Ltd，L-MWNT-1020牌号，直径10-20nm，长度约2-5μm)和SDBS(多壁碳纳米管和SDBS的质量比为0.1：1)加入水中并超声分散4h，得到碳纳米管浓度为0.3mg/mL的分散液A1。
将分散液A1加入到上述圆形器皿中，使得形成的凹液面的最底面距基底材料的距离为49.15μm，加盖并在70℃下蒸发直至溶剂蒸干(约20min)，基底上形成的环形图案如图2所示，其单个环为散点状分布，单个环宽为10-30μm，环间距为50-200μm。
实施例2
本实施例用于说明本发明的具有环形图案的基片及其组装方法。
根据实施例1所述的方法，所不同的是，基底材料为表面镀金后的聚苯乙烯，基底上形成的环形图案如图3所示，基底上形成的环形图案的环分布为：从中心至边沿，依次为平滑圆环线分布、波浪线分布及环与环之间有一定的连接分布，单个环宽为10-30μm，环间距为10-100μm。
实施例3
本实施例用于说明本发明的具有环形图案的基片及其组装方法。
根据实施例1所述的方法，所不同的是，基底材料为玻璃，基底上形成的环形图案如图4所示，其单个环为较平滑的圆环线分布，单个环宽为5-40μm，环间距为50-200μm。
实施例4
本实施例用于说明本发明的具有环形图案的基片及其组装方法。
根据实施例1所述的方法，所不同的是，基底材料为表面镀金后的聚对苯二甲酸乙二醇酯，基底上形成的环形图案的环分布为：从中心至边沿，依次为平滑圆环线分布、波浪线分布及环与环之间有一定的连接分布，单个环宽为5-30μm，环间距为10-300μm。
对比例1
根据实施例1所述的方法，不同的是，将一滴碳纳米管分散液(约为0.05mL)滴加到基底材料上，从而仅能在外边沿处形成单个环，且单个环宽为5-20μm，环内为一层无规律的碳纳米管。
测试例1
采用实施例1所得的具有环形图案的基片进行细胞培养：将成骨细胞接种到直径为35mm的培养皿(底部采用的是实施例1所得的具有环形图案的基片)中，培养基为DMEM，同时加入10重量％的胎牛血清及1重量％的双抗。在37℃下培养1、2、3和4天，用显微镜观察每天的培养结果。
其中，图7和8分别为第1天和第2天的细胞生长结果，可以看出大部分成骨细胞会沿着碳纳米管形成的环生长，也有少数生长在环与环之间的间隙中，第3和4天的图9和10可以看出随着时间的延长，由于单个环的宽度有限，有更多的细胞在环与环之间生长。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种纳米材料自组装形成具有环形图案的基片的方法，其特征在于，该方法包括：将非挥发性的纳米材料分散于浸润性挥发性溶剂中，得到纳米材料分散液，将所述纳米材料分散液置于基底材料上，并使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面或半凹液面，蒸发除去浸润性挥发性溶剂；所述浸润性挥发性溶剂为水、C1-C3的烷醇、丙酮、DMF、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和苯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非挥发性的纳米材料为非挥发性的碳纳米材料、非挥发性的金属氧化物纳米材料和非挥发性的聚合物纳米材料中的一种或多种；
优选地，所述非挥发性的碳纳米材料为碳纳米管、富勒烯纳米球、碳纳米线和碳纳米棒中的一种或多种；
优选地，所述非挥发性的金属氧化物纳米材料为氧化锌、三氧化二镓、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、二氧化锡、氧化锗、氧化铜、氧化铟和氧化钛的纳米线或纳米棒中的一种或多种；
优选地，所述非挥发性的聚合物纳米材料为聚苯乙烯纳米球、聚对本二甲酸乙二醇酯纳米球、聚乙烯纳米球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米球、聚碳酸酯纳米球、聚氨酯纳米球和聚二甲基硅氧烷纳米球中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述基底材料选自由以下材料组成的组中的一种或多种：金属材料：金、银、铜、铁、铝、锌、钛、镁及它们任选组合的合金；高分子材料：聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷；无机材料：氮化硅、硅片、云母片、玻璃和二氧化硅；以及表面镀有金、银、铜、铁、铝、锌、钛、镁中的一种或多种的聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷；
优选地，所述基底材料选自由金、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、云母片、二氧化硅、玻璃以及表面镀有金的聚苯乙烯和表面镀有金的聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的组中的一种或多种；更优选地，所述基底材料为金、表面镀金的聚苯乙烯和表面镀金的聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述非挥发性的纳米材料的尺寸为1nm-100μm，优选为10nm-50μm。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述纳米材料分散液中，所述纳米材料的浓度为0.05-1mg/mL，优选为0.05-0.5mg/mL。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，在采用水作为所述浸润性挥发性溶剂的情况下，所述纳米材料分散液还加入有表面活性剂，所述表面活性剂为正十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基磺酸钠。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，(i)使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈凹液面的方式为在所述基底材料上围成环形空间，使得纳米材料分散液加入到该环形空间内后呈凹液面，或者(ii)使得所述基底材料上的纳米材料分散液在所述基底材料上呈半凹液面的方式为在所述基底材料上放置圆形构件，使得纳米材料分散液加至围绕该圆形构件呈半凹液面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，方式(i)中，所述纳米材料分散液的加入使得凹液面的最底面距所述基底材料的距离为210μm以内，优选为20-210μm；所形成的环形空间的直径为10-100mm。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，所述蒸发的温度为50-120℃。
10.一种由权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的具有环形图案的基片。
11.根据权利要求10所述的具有环形图案的基片，其中，该基片上具有的环形图案为环环相套的结构，其环宽度为10-50μm，环间距为10-200μm。
12.根据权利要求10或11所述的具有环形图案的基片在细胞培养、制备场效应晶体管、制备布拉格谐振器和制备电极中的应用。
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