D-O-004-聚合物纳米杂化材料的制备和性质研究-熊焕明.pdf

聚合物纳米杂化材料的制备和性质研究 熊焕明 复旦大学化学系，上海市邯郸路220 号 邮编200433 关键词：聚合物纳米杂化材料，光致发光，离子导电，富集蛋白质 纳米杂化材料是继单组分纳米材料、纳米复合材料和纳米梯度功能材料之后 的第四代纳米材料。纳米杂化材料是一种均匀的多相材料，其中至少有一相的尺 寸和维度在纳米数量级，纳米相与其他相间（一般是有机相）通过化学键作用在 纳米水平上复合，即相分离尺寸不超过纳米数量级，和具有较大微相尺寸的传统 复合材料相比，它在结构和性能上明显不同。目前纳米杂化材料已成为高分子化 学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域，受到世界各国从事 材料科学研究人员的广泛重视。聚合物纳米杂化材料与聚合物纳米复合材料的主 要区别在于前者的两个组分是化学键联的，需要通过化学合成来实现，而后者的 两个组分是物理混合的，只要经过简单的共研、搅拌或者吸附就能得到。聚合物 纳米杂化材料作为一类新型材料，具有更多样的组成和结构，更重要的是其中聚 合物和纳米材料不易发生相分离，因此表现出更高的稳定性和更优越的多元性。 本文将综合介绍作者最近几年在这个领域内的研究成果。 聚合物纳米杂化材料的制备方法是多种多样的，简单的归类至少有四种：一 是在聚合物体系中直接合成纳米粒子，同时用化学键把两者结合起来；二是在纳 米结构材料的孔道、层间或表面引发单体聚合，形成杂化材料；三是混合单体和 制备纳米材料的原料，在一定条件下让聚合与杂化一步完成；四是让聚合物和纳 米材料分别带有相反电荷、氢键或易成键的基团，把两者混合均匀或者是通过萃 取、配体交换等方式，使它们发生反应。如何判断生成的产物不是简单的复合材 料，而是组成与结构均一的杂化材料呢？首先要通过透射电镜、扫描电镜、原子 力显微镜来观察，看聚合物相与纳米相的边界是否泾渭分明。如果纳米粒子已经 严重地团聚到了微米尺度，或者聚合物已经高度结晶，两相明显地分离，就意味 着该材料是复合材料了。其次，要通过红外、热重、差热、电子能谱等表征手段 来研究聚合物与纳米相之间是否形成了化学键。最后，在宏观性质上，杂化材料 具有某种均一性。比如是透明的、有固定的熔点或溶解度等，而复合材料则相反。 我们课题组最近两年在聚合物氧化锌纳米杂化材料的研究领域取得了一系列 重要的成果。我们通过化学反应，把聚合物修饰到ZnO 纳米粒子表面，很好地控 本文获得国家自然科学青年基金面上项目“聚合物－纳米粒子杂化材料的制备与性质研究”（No.）的资助。 制了ZnO 粒子尺寸和表面状态，在国际上首先实现了ZnO 纳米粒子荧光从蓝光调 [1] 变到黄光，量子效率提高到 30 ％以上。 为了比较，我们还特意制备了相同组成 的ZnO 纳米粒子和聚合物的简单复合材料，平行实验证明复合材料的稳定性比杂 [2] 化材料差得多。 我们在 ZnO 纳米粒子表面利用其本征自由基引发单体聚合，制 备了ZnO@PMMA 核壳型纳米粒子，这种材料具有非常强烈的蓝色荧光，量子效 [3] 率高达 85 ％，甚至在阳光的照耀下也能发出明显的蓝光！ 如果把这种材料和 MMA 单体进一步地聚合，能够得到在水中稳定发光的微球，甚至不怕强酸和强碱。 [4]我们还发现，这些微球可用于低丰度蛋白质的富集分离和质谱鉴定，能够把极低 浓度的多肽信号提高 2 个数量级，为质谱分析在蛋白质组学中的应用打开一个突 破口。比较实验证明，只有当ZnO 纳米粒子和PMMA 之间有强烈的化学键时才能 产生这样的效果，如果是简单的复合，质谱仪中的紫外激光会把PMMA 离解成碎 片，严重干扰多肽的信号。相同的结论也在以PEO 为主体的聚合物纳米复合电解 质中发现，如果PEO 与纳米的ZnO 、SnO2 、TiO2 等形成化学键合的杂化材料，其 [5, 6] 电导率、离子迁移率、电化学稳定性等指标都比相应的简单混合物强得多。 我 们把这类杂化电解质应用在全固体锂离子电池和染料敏化太阳能电池中，并且申 请了专利。