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Angew. Chem. :从氢键到高分子再到高对称二维“纳米分子”2023-10-28
当金或银纳米颗粒被排列在一起时,它们形成一个具有新光学特性的结构体。这些结构体特性的几何排列,比如对称性、颗粒间距以及纳米颗粒的数量,都会直接决定这些单元体的光学性能。近年来,许多排列规整的纳米颗粒组成的二维结构被研发出来,例如环形排列的,类分子几何的,链状的。这些二维纳米结构排列在纳米探测、纳米光电子学、以及超材料等应用方向都有着决定性的作用。

要制备精确排列的金颗粒结构,电子束光刻是标准的手段,在溶胶自组装领域,二维模板辅助组装和DNA折纸技术也已经取得了巨大的进展。这些方法具有直观的制备设计,但通常需要复杂的模板制备,这限制了规模化生产。

近日,德国哥廷根大学的蔡颖颖博士在Philipp Vana教授课题组,提出了一种全新的基于高分子氢健作用(非共价弱作用力)的纳米颗粒自组装策略:

作者设计一对氢键互作用的“供体-受体”聚合物,并将他们分别对金颗粒进行表面修饰。这样就得到了一组互相吸引的“供体-受体”聚合物修饰的金纳米颗粒。将这两种金纳米颗粒在溶胶中按照一定比例混合,并且调整混合溶液(丙酮与四氢呋喃)的组分。就可以得到一系列由纳米颗粒组成的拥有分子般对称性的“纳米分子”(图1)。作者利用溶剂和高分子之间作用力的竞争关系,仅通过调整溶剂的比例就可以获得不同“配位数”的“纳米分子”(图2)。最终,通过调整溶剂、高分子链长、以及金纳米颗粒的大小,可以获得从AB2到AB7这一系列的二维“纳米分子”。对这一全新的自组装方法的原理,尤其是溶剂化的作用,作者也进行详细研究和阐释。

本文较为有趣的一点就是这些“纳米分子”在溶剂中分散时应为不带二维特性的组装体。而当溶胶滴到表面干燥后,才形成这些规整的二维纳米颗粒分布(图1)。这个三维到二维的变化,加上如何形成规整的分子形状的纳米结构。作者在文中针对参与的各种作用力进行了分析与讨论。

在该工作中,蔡颖颖博士和Philipp Vana教授为构建高对称性纳米结构提供了一种基于氢键的简便、高效方法。

 

 

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图1:“纳米分子”自组装设计思路。

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图2:利用混合溶剂组分可以精准控制“纳米分子”从AB2到AB5的构型。

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图3:通过调整高分子链长和金纳米颗粒的大小进一步拓展“纳米分子”的控制。

文信息

2D Plasmonic Molecules via Hydrogen Bond Interaction between Polymer-Grafted Nanoparticles

Dr. Yingying Cai, Prof. Dr. Philipp Vana

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202309798

 

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