CN1746105B - 层层组装技术构造多组分纳米管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用层层组装技术构造多组分纳米管,如利用两种物质间不同电性吸附的反应以及两种物质间可作用基团间的反应制备多组分纳米管。该材料包括:具有正电性以及负电性的化合物或生物分子,以正负电荷相互吸引作用,形成聚电解质的纳米管。以及具有氨基的化合物或生物分子、与具有酸酐基团(或羧基或酰氯等)的化合物或生物分子,采用化学键合的方法,使氨基和酸酐(或羧基或酰氯)的化合物之间形成酰氨键,形成管壁均匀、性质稳定的纳米管。本发明通过层层组装方法形成多组分的纳米管。尤其是利用两种物质间化学作用形成的纳米管,是由成膜性良好的高分子物质作基底,可以将成膜性能不好的功能化物质均匀铺展,使之具有光功能化、电功能化等基团。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的纳米管以及制备纳米管的方法,特别涉及利用层层组装技术构造的具有多组分纳米管以及利用层层组装技术构造具有多组分纳米管的方法。
背景技术
纳米科技是当今最重要的高新技术之一,同时也是目前材料科学研究的热点之一。纳米科学技术(Nano-ST)是20世纪80年代末刚刚诞生并崛起的新技术,它的基本含义是在纳米尺寸(10-9-10-7m)范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言,如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料从根本上改变了材料的结构,为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。
自从日本科学家饭岛纯雄(S.Iigima)于1991年首次发现和提出碳纳米管以来,这种新型材料引起了物理、化学和材料科学界的广泛关注。碳纳米管是一种直径只有十亿分之一米的圆柱形微细物质,是迄今为止所发现的强度最大的材料,由碳纳米管制成的物料,重量仅为钢铁的十分之一,但强度却高出钢铁100倍,而且具有非常好的导热和导电性。一直以来,碳是制造纳米管的唯一原料。
近几年来,随着研究的不断深入,科学家们利用不同材质和方法研制出各种各样的纳米管。如单组分聚合物纳米管、无机材料纳米管、金属纳米管等各种各样的纳米管。这些不同材质、不同功能的纳米管制备方法和技术在能源、信息材料、医药与仿生以及工业等各领域都有广泛的应用,有关这方面的论文急剧增长。
为了更好地研究纳米管的形成条件及性质,我们课题组率先报道了利用层层组装技术构造聚电解质纳米管(J.Am.Chem.Soc.125(2003)11140),在此基础上,我们继续利用层层组装技术,借助不同组分间的氢键、共价键、配位键等的相互作用构造了不同组分的纳米管,并对其进行了全面系统的分析和检测。事实证明,利用层层组装方法制备纳米管,可以方便地控制纳米管的组分、功能、长度和管壁厚度等性质。
发明内容
本发明的目的是利用层层组装技术,借助相邻组分间的相互作用,构造一类新的、功能化的纳米管。
本发明的一个方面在于提供一种具有多组分化学键合的纳米管,包括:
具有第一基团的化合物或生物分子;以及
具有第二基团基团的化合物或生物分子;
其中,具有第一基团的化合物或生物分子与具有第二基团的化合物或生物分子分别选自由具有氨基的化合物或生物分子、具有酸酐或羧基或酰氯基团的化合物或生物分子、功能化的分子、纳米颗粒、具有可形成氢键的化合物及具有可形成配位键的化合物或生物分子组成的组,并且具有第一基团的化合物或生物分子与具有第二基团基团的化合物或生物分子不同。
上述纳米管中的具有不同特性的化合物或生物分子分别选自于由高分子聚合物、无机非金属材料、生物分子等,例如聚电解质、高分子聚合物、无机非金属材料、树枝状生物大分子、生物样品材料等组成的组;即聚乙烯氨(PEI)、dendrimer、聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA)、聚乙烯基马来酸酐(PEMA)、聚萘四代酸酐(PCTDA)、聚正丙基六氟环氧丙烷基甲基苯乙烯(PSOH)、聚乙烯基嘧啶(PVP)、铒(III)的化合物、对苯二甲酸、生物大分子、金、银或钯的纳米颗粒等。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中具有氨基的化合物或生物分子选自由高分子聚合物、无机非金属材料、生物样品材料组成的组,优选地,选自具有氨基基团且成膜性良好的物质,更优选地,选自由聚乙烯氨、dendrimer等组成的组。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中具有酸酐或羧基或酰氯基团的化合物或生物分子选自由高分子聚合物、无机非金属材料、生物样品材料组成的组,优选地,选自酸酐或羧基或酰氯活性足够与氨基反应的物质,更优选地,选自聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA)、聚乙烯基马来酸酐(PEMA)等物质组成的组。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中功能化的分子选自由具有光功能化或电功能化的高分子聚合物、无机非金属材料、生物样品材料组成的组,优选地,选自聚萘四代酸酐(PTCDA)。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中纳米颗粒选自由金、银、钯等纳米颗粒组成的组。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中可形成氢键的化合物选自由聚正丙基六氟环氧丙烷基甲基苯乙烯(PSOH)与聚乙烯基嘧啶(PVP)组成的组。
利用本发明制备的具有多组分化学键合的纳米管,其中可形成配位键的化合物选自由铒(III)的化合物与对苯二甲酸组成的组。
本发明的另一方面,提供一种具有多组分化学键合纳米管的制备方法,包括以下步骤:
a.将溶解有具有第一基团的化合物或生物分子的溶液利用大气压滤过具有微观多孔形貌的滤膜模板,并继续通空气至溶剂完全挥发;
b.再将溶解有具有第二基团的化合物或生物分子、功能化分子、纳米颗粒的溶液利用大气压滤过具有微观多孔形貌的滤膜模板,并继续通空气至溶剂完全挥发;以及
c.循环重复上述步骤a及步骤b,直至滤下的速度变缓,每次滤过后使通空气的时间足够长,使其充分反应且溶剂完全挥发;
其中具有第一基团的化合物或生物分子与具有第二基团的化合物或生物分子分别选自由具有氨基的化合物或生物分子或具有酸酐或羧基或酰氯基的化合物或生物分子、具有酸酐或羧基或酰氯基的化合物或生物分子、功能化的分子、纳米颗粒、具有可形成氢键的化合物及具有可形成配位键的化合物或生物分子组成的组,并且具有第一基团的化合物或生物分子与具有第二基团基团的化合物或生物分子不同。
本发明提供的具有多组分化学键合纳米管的制备方法,其中具有氨基的化合物或生物分子选自于由聚乙烯氨、树枝状生物大分子等组成的组,优选地,选自于由聚乙烯氨、dendrimer等组成的组;具有微观多孔形貌的滤膜模板选自由氧化铝膜与聚酯膜组成的组,优选地,选自孔直径为100-500纳米、模板直径为1-3厘米的氧化铝膜或聚酯膜,最优选为氧化铝模板;具有羧基或酸酐或酰氯基团的化合物或生物分子选自由聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA)、聚乙烯基马来酸酐(PEMA)等物质组成的组;纳米颗粒选自由金、银、钯等纳米颗粒组成的组;具有功能化的分子选自聚萘四代酸酐(PTCDA)等物质组成的组;可形成氢键的化合物由聚正丙基六氟环氧丙烷基甲基苯乙烯(PSOH)与聚乙烯基嘧啶(PVP)组成的组;以及可形成配位键的化合物选自由铒(III)的化合物与对苯二甲酸组成的组。
本发明提供的具有多组分化学键合纳米管的制备方法,其中溶解有具有第一基团的化合物或生物分子或具有第二基团的化合物或生物分子的溶液浓度为溶质重量对溶剂体积百分比在0.01%-1%之间,优选地,溶解有具有第一基团的化合物或生物分子或具有第二基团的化合物或生物分子的溶液浓度为溶质重量对溶剂体积百分比在0.01%-0.5%之间。
本发明提供的具有多组分化学键合纳米管的制备方法,其中具有微观多孔形貌的滤膜模板的处理方法是将模板用清水超声冲洗干净。
本发明提供的具有多组分化学键合的纳米管的制备方法,其中所述步骤c优选循环重复上述步骤a与步骤b 3-10遍,保证每次溶液通过后溶剂完全挥发。
本发明的具有多组分化学键合的纳米管的制备方法还可以包括以下步骤:
d.扫描电镜样品的制备:将制备完毕的氧化铝模板粘在硅片上用0.1-10M的NaOH溶液浸泡2-6小时,取出用纯水浸泡3次,氮气吹干;以及
e.透射电镜样品的制备:将氧化铝模板直接浸泡在上述NaOH溶液中,2-6小时,用大量的水透析24-48小时,离心超声得到纳米管溶液,将此溶液滴在支撑膜铜网上,晾干作透射实验。
本发明采用层层组装技术和模板法,利用不同组分间的相互作用制备长度和管壁厚度可控的、具有特殊功能的复合纳米管。
本发明利用相邻组分间的静电吸引、化学键合、氢键或配位键等相互作用,将两种或多种组分利用层层组装技术和模板法构造纳米管,例如将含有不同基团的两种化合物(如含氨基的化合物和含酸酐等的化合物),通过化学方法形成化学键,利用成膜性良好的物质作基底,可以将成膜性能不好的但具有光、电等特殊功能的物质均匀铺展,制备具有特殊功能的纳米管。这样,就能够将很难单独成管的功能化物质与易成管的物质结合用于构造功能化的纳米管,具有开创性的意义。
附图说明
图1a、1b分别是本发明方法中氧化铝模板的正面和反面的扫描电镜(SEM)图;
图2a、2b分别是具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的纳米管的扫描电镜图;
图3是具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的纳米管的透射电镜图;
图4是具有氨基的高分子聚合物与具有光能化的高分子物质形成的纳米管的透射电镜图;
图5是具有生物基团的物质与具有氨基的高分子聚合物双组分纳米管的透射电镜图;以及
图6是具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的双组分纳米管的X射线光电子能谱(XPS)图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够实施本发明,现参照附图详细说明本发明的优选实施例,但是,本发明不局限于在此说明的实施例。
实施例1 具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的
高分子聚合物形成的纳米管
首先将约0.01克具有氨基的高分子聚合物聚乙烯基氨(PEI)溶解在约10毫升异丙醇中,浓度为约0.1%(wt/v);其次将约0.01克具有酸酐基团的聚合物聚乙烯基马来酸酐(PEMA)溶解在约10毫升四氢呋喃中,浓度为约0.1%(wt/v)。首先使聚乙烯基马来酸酐溶液通过氧化铝模板,使四氢呋喃全部挥发;再使聚乙烯基氨溶液通过氧化铝模板,使溶剂完全挥发并使得两者充分反应;循环以上操作10遍,至溶液滴下的速度非常缓慢,取出氧化铝模板;用1摩尔每升的氢氧化钠浸泡约60分钟,用清水洗涤过滤得到纳米管的水溶液。
可以将制备完毕的氧化铝模板粘在硅片上用0.1-10M的NaOH溶液浸泡2-6小时,取出用纯水浸泡3次,氮气吹干,用于制备扫描电镜样品;或将反应后的上述氧化铝模板直接浸泡在上述NaOH溶液中,2-6小时,用大量的水透析24-48小时,离心超声得到纳米管溶液,将此溶液滴在支撑膜铜网上,晾干作透射实验。
图1a、1b分别为用于本实施例中的氧化铝模板的正面和反面的扫描电镜图;图2a、2b分别为如上制备的具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的纳米管的扫描电镜图;图3为如上制备的具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的纳米管的透射电镜图;图6为如上制备的具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的高分子物质形成的双组分纳米管的X射线光电子能谱(XPS)图。
实施例2 具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有羧基及酯基
基团的高分子聚合物形成的纳米管
首先将约0.001克具有氨基的高分子聚合物,如聚乙烯基氨(PEI),溶解在约10毫升异丙醇中,浓度为约0.01%(wt/v);其次将约0.001克具有羧基基团的聚合物,如聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA),溶解在10毫升四氢呋喃中,浓度为约0.01%(wt/v)。首先使聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA)溶液通过氧化铝模板,使四氢呋喃全部挥发;再使聚乙烯基氨(PEI)溶液通过氧化铝模板,使溶剂完全挥发并使得两者充分反应;循环以上操作7遍,至溶液滴下的速度非常缓慢,取出氧化铝模板;用1摩尔每升的氢氧化钾浸泡45分钟,用清水洗涤过滤得到纳米管的水溶液。
实施例3 具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有酸酐基团的
高分子物质形成的纳米管
首先将约0.05克具有氨基的高分子聚合物,如聚乙烯基氨(PEI),溶解在约10毫升异丙醇中,浓度为0.5%(wt/v);其次将具有酸酐基团的聚合物,如0.05克聚乙烯基马来酸酐(PEMA),溶解在10毫升四氢呋喃中,浓度为0.5%(wt/v)。首先使聚乙烯基马来酸酐(PEMA)溶液通过氧化铝模板,使四氢呋喃全部挥发;再使聚乙烯基氨(PEI)溶液通过聚酯模板,使溶剂完全挥发并使得两者充分反应;循环以上操作3遍,至溶液滴下的速度非常缓慢,取出聚酯模板;用1摩尔每升的氢氧化钠浸泡60分钟,用清水洗涤过滤得到纳米管的水溶液。
实施例4 具有氨基的高分子化合物与具
物质反应形成的纳来管
首先将约0.005克具有氨基的高分子聚合物,如聚乙烯基氨(PEI),溶解在约10毫升异丙醇中,浓度为0.05%(wt/v);其次将0.005克具有光功能化的物质,如聚萘四代酸酐(PTCDA),溶解在约10毫升四氢呋喃中,浓度为0.05%(wt/v)。首先使聚萘四代酸酐溶液通过氧化铝模板,使四氢呋喃全部挥发;再使聚乙烯基氨溶液通过氧化铝模板,使溶剂完全挥发并使得两者充分反应;循环以上操作10遍,至溶液滴下的速度非常缓慢,取出氧化铝模板;用1摩尔每升的氢氧化钠浸泡约60分钟,用清水洗涤过滤得到纳米管的水溶液。图4为如上制备的具有氨基的高分子聚合物纳米管与具有光功能化的高分子物质形成的纳米管的扫描电镜图。
实施例5 具有氨基的高分子化合物与具有生物基团的物质反
应形成的纳米管
采用树枝状生物大分子,如dendrimer,取代实施例1中的具有酸酐基团的高分子物质,用水溶解并用适当的脱水剂处理,其他试验条件同实施例1,并重复实施例1中的操作,得到具有氨基的高分子材料与具有生物基团的物质反应制作的纳米管。图5为如上制备的具有生物基团的物质与具有氨基的高分子聚合物双组分纳米管的透射电镜图。
实施例6 具有氨基的高分子物质与与纳米粒子反应的纳米管
采用纳米颗粒,如金或银的纳米颗粒,取代实施例1中的具有酸酐基团的高分子物质,并重复上述实施例1中的操作,得到具有氨基的高分子材料与纳米颗粒(如金或银纳米颗粒)反应制作的纳米管。
实施例7 两种可形成氢键的物质间利用氢键形成的纳米管
用具有可形成氢键的两种物质,如聚正丙基六氟环氧丙烷基甲基苯乙烯(PSOH)与聚乙烯基嘧啶(PVP),分别取代实施例1中的具有氨基的高分子聚合物与具有酸酐基团的高分子物质,并重复上述实施例1中的操作,得到具有可形成氢键的基团的两种物质反应制作的纳米管的水溶液。
实施例8 两种可形成配位键的物质间利用配位键形成的纳米管
采用具有可形成配位键的两种化合物,如用Er(III)的化合物和对苯二甲酸的配位聚合物,取代实施例1中的具有氨基的高分子聚合物与具有酸酐基团的高分子物质,并重复上述实施例1中的操作,得到具有可形成配位键的基团的两种物质反应制作的纳米管的水溶液。
以上所述仅为本发明的典型实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
参考文献:
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7.S.F.Ai,G.Lu,Q.He,J.B.Li,J.Am.Chem.Soc.125(2003)11140.
Claims (13)
1.一种具有多组分化学键合的纳米管,包括:
具有第一基团的化合物或生物分子;以及
具有第二基团的化合物或生物分子;
其中,所述具有第一基团的化合物或生物分子与所述具有第二基团的化合物或生物分子分别选自由具有氨基的化合物或生物分子、具有酸酐或羧基或酰氯基团的化合物或生物分子、功能化的分子、纳米颗粒、可形成氢键的化合物及可形成配位键的化合物或生物分子组成的组,并且所述具有第一基团的化合物或生物分子与所述具有第二基团的化合物或生物分子不同。
2.根据权利要求1所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述具有氨基的化合物或生物分子或所述具有酸酐或羧基或酰氯基团的化合物或生物分子或所述功能化的分子分别选自由高分子聚合物、无机非金属材料、树枝状生物大分子和生物样品材料组成的组。
3.根据权利要求1所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述纳米颗粒选自由金、银、钯纳米颗粒组成的组。
4.根据权利要求1所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述可形成氢键的化合物选自由聚正丙基六氟环氧丙烷基甲基苯乙烯(PSOH)与聚乙烯基嘧啶(PVP)组成的组;所述可形成配位键的化合物选自由铒(III)的化合物与对苯二甲酸组成的组。
5.根据权利要求1或2所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述具有氨基的化合物或生物分子选自具有氨基基团且成膜性良好的物质。
6.根据权利要求1或2所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述具有氨基的化合物或生物分子材料选自由聚乙烯氨、dendrimer组成的组。
7.根据权利要求1或2所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述具有酸酐或羧基或酰氯基团的化合物或生物分子选自酸酐或羧基或酰氯活性足够与氨基反应的物质。
8.根据权利要求1或2所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述具有羧基或酸酐或酰氯基团的化合物或生物分子选自由聚苯乙烯酸酐合甲酯(PSMA)、聚乙烯基马来酸酐(PEMA)物质组成的组。
9.根据权利要求1或2所述的具有多组分化学键合的纳米管,其中所述功能化的分子选自聚萘四代酸酐(PTD)物质。
10.根据权利要求1-9所述的具有多组分化学键合纳米管的制备方法,包括以下步骤:
a.将溶解有具有第一基团的化合物或生物分子的溶液利用大气压滤过具有微观多孔形貌的滤膜模板,并继续通空气至溶剂完全挥发;
b.再将溶解有具有第二基团的化合物或生物分子的溶液利用大气压滤过具有微观多孔形貌的滤膜模板,并继续通空气至溶剂完全挥发;以及
c.循环重复上述步骤a与步骤b,直至滤下的速度变缓,每次滤过后使通空气的时间足够长,使其充分反应且溶剂完全挥发;
其中,所述具有第一基团的化合物或生物分子与具有第二基团的化合物或生物分子分别选自由具有氨基的化合物或生物分子或具有酸酐或羧基或酰氯基的化合物或生物分子、具有酸酐或羧基或酰氯基的化合物或生物分子、功能化的分子、纳米颗粒、可形成氢键的化合物及可形成配位键的化合物或生物分子组成的组,并且所述具有第一基团的化合物或生物分子与所述具有第二基团的化合物或生物分子不同。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述溶解有具有第一基团的化合物或生物分子或具有第二基团的化合物或生物分子的溶液浓度为溶质重量对溶剂体积百分比在0.01%-0.5%之间。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其中所述溶解有具有第一基团的化合物或生物分子或具有第二基团的化合物或生物分子的溶液浓度为溶质重量对溶剂体积百分比在0.05%-0.5%之间。
13.根据权利要求10所述的方法,其中所述具有微观多孔形貌的滤膜模板的处理方法是将所述模板用清水超声冲洗干净。
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