软物质设计与组装

作者: 时间:2017-01-10 点击数:

软物质设计与组装

 

厦门大学软物质与生物仿生研究院

 

现代科学技术的进步很大程度上取决于材料科学的发展。因此,材料科学已成为横跨物理、化学、生物、工程等多学科的最令人兴奋的研究领域之一。对于解决人们日益关注的环境和气候变化问题,发展“可持续材料”已成为愈发急迫的任务。软物质涵盖液晶、胶体、高分子、泡沫、凝胶、颗粒物质和多种生物材料等,在今天的科学技术中正发挥着愈发重要的作用。由于其性能优异、重量轻、功能多等特点,软材料正逐渐取代许多传统领域中的“硬材料”。软材料和生物材料有着千丝万缕的联系。材料功能化的重要方法论是:通过仿生手段对合成或天然材料进行设计、制造和优化。我们在软物质特别是带有晶体网络的软物质的形成机制,软物质的结构设计、组装等方面取得了重要进展。

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图1. 各种软物质及相应的网络。

(A)软物质的形成机制

  软物质的网结构决定了软物质的流变性质等各种性质。网络由纤维或其它“颗粒”联系而成。晶体网络的形成,是通过“节点”而产生。有图2所示的三种形式“节点”形式 。其中“节点”的产生机制,如图3所示。(a) 通过尖端结晶学失配成核,产生尖端分叉;(b) 通过侧面结晶学失配成核,产生侧面分叉;(c)通过聚合物分子链间结晶,产生分子链间融合。

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图2. 各种网络及相应的软物质。

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图3.  三种“节点”的产生机制:(a) 通过尖端结晶学失配成核,产生尖端分叉;(b) 通过侧面结晶学失配成核,产生侧面分叉;(c)通过聚合物分子链间结晶,产生分子链间融合。

  为了对网络进行微纳米构筑,我们可通过控制热力学驱动力,添加分叉促进剂,引入超声波等形式来调节网络节点的形成,以及网格的大小。以此实现网络构筑及微纳米结构的调控。

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图4.  通过分子“裁剪”来构建纳米网络。 图示(左)及例子(右)。
 
具有网络结构的软材料,具有广泛的应用。由于网络内,可装各种不同类型大小的分子,使之能进行分子筛选,药物输运。网络网格可装纳米颗粒,可作为纳米笼子合成并储存纳米粒子。

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图5.  软物质的网络作为纳米笼子,在水溶液中合成纳米颗粒。通过纳米笼子的网格大小来控制纳米颗粒大小。

代表性著作与论文:

1.     Soft Fibrillar Materials: Fabrication and Applications, edited by XY Liu and JL Li, (Viley-VCH, Berlin, 2013). ISBN-10: 352733162X ; ISBN-13: 978-3527331628

2.     A.P.H.J. Schenning, F.B.G. Benneker, H.P.M. Geurts, X.Y. Liu*, R.J.M. Nolte*, “A facile method for the construction of porphyrins wheels”, J. Am. Chem.Soc. 118, 8549 (1996).

3.     X.Y. Liu*, and P.D. Sawant, “Mechanism of the formation of self-organized micro-structure in functional materials”, Adv. Materials 14, 421-426 (2002).

4.     X.Y. Liu*, and P.D. Sawant, “Micro/Nanoengineering of Self-Organized Three-Dimensional Fibrous Structure of Functional Materials”, Angew. Chemie Int. Ed. 41, 3641-3645 (2002).

5.     X.Y. Liu*, P.D. Sawant, Wee Beng Tan,  I. B. M. Noor, C. Pramesti, and B. H. Chen, “Creating New Supramolecular Materials by Architecture of Three-Dimensional Nano Crystal Fiber Networks”, J. Am. Chem. Soc., 124, 15055-15063 (2002).

6.     P. D. Sawant, and X.Y. Liu*, “Formation and Novel Thermo-mechanical Processing of Biocompatible Soft Materials”, Chemistry of Materials 14,  3793-3798 (2002).

7.     Jing Liang Li, X.Y. Liu*, Christina Strom, and J. Y. Xiong, “Engineering of a Supramolecular Functional Material by Architecture of the Micro/nano Structure of Fiber Network”, Adv. Mat. 18, 2574–2578 (2006).

8.     Haibing Xia, X.Y. Liu*, Keqin Zhang, “Nano Architecture by molecular structure-directing agent”, Chemistry of Materials 20, 2432-2434 (2008).

9.     Tian Hui Zhang and Xiang Yang Liu*, "Nucleation: What Happens at the Initial Stage?", Angew. Chemie Int. Ed. 48, 1308-1312 (2009).

10.  Shaokun Tang, Xiang Yang Liu,* and Christina S. Strom, "Producing Supramolecular Functional Materials Based on Fiber Network Reconstruction", Adv. Fun. Mat. 19, 1-8 (2009).

11.  Jing-Liang Li and Xiang Yang Liu*, "Architecture of Supramolecular Soft Functional Materials: from Understanding to Micro/nano Engineering" (Feature Article), Adv. Fun. Mat., 20, 3196-3216 (2010). (Highlighted as the Frontispiece).

12.  Bing Yuan, Jing-Liang Li, Xiang Yang Liu*, Yu-Qiang M and Hong-Yao Xu, “Critical Behavior of Confined Supramolecular Soft Materials in Microscopic Scale”, Chem. Comm. 47, 2793–2795(2011). (Highlighted by RSC publishing: http://blogs.rsc.org/cc/2011/02/23/confining-supramolecular-soft-materials/).

13.  Zhengquan Yan,  Hongyao Xu, Shanyi Guang, Xian Zhao, Weiliu Fan, and Xiang Yang Liu*, “A convenient organic-inorganic hybrid approach toward highly stable squaraine dyes with lessened H-aggregation”, Adv. Fun. Mat. 22, 345-352 (2012).

14.  Jing-Liang Li, Xiang Yang Liu*, Xun-Gai Wang and Rong-Yao Wang, “Controlling Nanoparticle Formation via Sizable Cages of Supramolecular Soft Materials”,  Langmuir 27, 7820–7827 (2011).

 

 

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