大连民族大学JPCL：普适性三相界面自组装制备高重复性纳米颗粒单层膜

第一作者：大连民族大学林翔

通讯作者：大连民族大学董斌&王利

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c01116

【引言】

纳米颗粒自组装技术已成为一种构建宏观纳米器件的有效策略。流体界面（液/液和气/液界面）为纳米颗粒的二维组装提供了一个透明无缺陷的柔性平台。其中，液/液界面独特的自修复性使其能够被用于制备大面积无缺陷的纳米颗粒单层膜。但由于纳米颗粒的组装质量很容易受到纳米粒子浓度、诱导剂的用量和界面面积等参数的影响，制备具有高重复性的纳米颗粒单层膜仍然面临较大挑战。

【成果简介】

近日，大连民族大学董斌教授和王利教授研究团队受到液体表面马兰戈尼效应（因界面张力梯度的存在而使质量移动的现象）的启发，构建了一种独特的油/水/油三相体系，实现了纳米颗粒单层膜的高重复性制备。该三相界面组装方法操作简便，水油两相的时候晃一晃纳米颗粒便可以吸附在水/油界面上，然后加入另一种油相并缓慢转一下容器便可以实现纳米颗粒的转移和压缩，从而得到高重复性的纳米颗粒单层膜。理论分析和实验验证表明纳米颗粒能够从下界面自发的转移到上界面是受到三相界面上的界面张力梯度的驱动。通过这种方法即使添加的纳米颗粒浓度在较大范围变化，也可以保证纳米颗粒单层膜出色的均匀性和制备可重复性。此外，该方法具有极好的普适性，可以适用于具有不同尺寸、形状、成分和表面基团（比如贵金属纳米材料合成常用的CTAB、PVP以及柠檬酸根）的各种纳米粒子。该方法的简单性，通用性和出色的可重复性将极大地促进各种宏观纳米颗粒单层膜的可靠制备。

研究成果以“Marangoni Effect-Driven Transfer and Compression at Three-Phase Interfaces for Highly Reproducible Nanoparticle Monolayers”为题发表在国际著名期刊Journal of Physical Chemistry Letters上，第一作者为大连民族大学青年教师林翔，董斌教授和王利教授是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1 油/水/油三相界面组装过程

(a, b) 三相组装过程示意图及照片

(c) 大尺寸组装

(d, e) 金纳米球自组装单层膜的SEM和TEM图

图2 三相界面上马兰戈尼效应的实验验证

(a) 纳兰格尼效应驱动纳米颗粒转移示意图

(b) 三相液体中马兰戈尼流的理论仿真

(c-j) 不同界面张力差体系的组装实物图及SEM表征

(k) 纳米颗粒数密度统计

图3 金纳米球自组装单层膜的均一性和重复性表征

(a-c) 金纳米球自组装单层膜SERS均一性

(d-f) 不同批次金纳米球自组装单层膜的照片和消光光谱

(g-i) 不同批次金纳米球自组装单层膜的SERS重现性

图4 三相组装方法与两相组装方法的对比

(a-f) 不同金纳米球浓度使用三相方法制备的金纳米球单层膜的照片及表征

(g-l) 不同金纳米球浓度使用两相方法制备的金纳米球单层膜的照片及表征

图5 三相组装方法用于各种纳米颗粒的自组装

(a) CTAC稳定的小尺寸金纳米球

(b) CTAB稳定的金纳米棒

(c) CTAC稳定的银纳米立方

(d) PVP稳定的银纳米棒

(e)柠檬酸根稳定的银纳米颗粒

(f)羧基稳定的二氧化硅微球。

【小结】

综上所述，该成果构建了一种独特的油/水/油三相系统用于简便高效的制备高重复性的纳米颗粒单层膜。基于油/水/油三相界面上的马兰戈尼效应，纳米颗粒能够自发的由下侧的油/水界面转移到上侧的油/水界面并压缩为致密的单层膜。即使使用较大范围的纳米颗粒浓度，也可以在大面积上获得均一可重复的纳米颗粒单层膜。此外，该三相组装策略可以应用于具有不同大小，形状，成分和表面配体（CTAB/C, PVP, Citrate等）的各种纳米颗粒。相信这一系统不仅提供了一种制备高重复性纳米颗粒单层膜的方法，而且还提供了一种油/水/油三相界面上物质传递的新颖平台，同时这项工作将有助于研究涉及多种不混溶溶剂的其他界面问题。