諾貝爾物理學(xué)得主de Gennes于1991年提出以羅馬神Janus命名不對稱粒子,由兩種(或多種)不同材料組成,具有多組分復(fù)合、多功能分區(qū)集成和方向性作用等特性,在界面調(diào)控、仿酶、納米機(jī)器、超材料和功能器件等方面具有重要意義。
楊振忠教授受Macromolecules主編邀請撰寫Perspective,題目:Polymer-Derived Janus Particles at Multiple Length Scales。結(jié)合團(tuán)隊二十年來在該領(lǐng)域的工作積累,以多尺度角度,系統(tǒng)總結(jié)了聚合物基復(fù)合Janus粒子制備典型方法最新進(jìn)展:1)乳液聚合相分離可用來規(guī)模制備特征尺寸為0.1-1微米量級Janus粒子,楊振忠團(tuán)隊首次提出了嚴(yán)格意義的Janus亞微米復(fù)合顆粒的規(guī)模制備新方法,為其生產(chǎn)和實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ);2)利用嵌段共聚物超結(jié)構(gòu)解組裝,可將Janus顆粒尺寸降至10-100 nm量級;3)高分子單鏈分子內(nèi)交聯(lián),為制備1-10 nm量級的 Janus顆粒提供了普適方法,單鏈納米顆粒的微結(jié)構(gòu)可控,可通過原位負(fù)載衍生功能物質(zhì)。為了解決傳統(tǒng)方法中單鏈顆粒在極稀溶液中發(fā)生而無法規(guī)模制備的瓶頸問題,楊振忠團(tuán)隊率先提出了靜電介導(dǎo)的聚合物分子內(nèi)交聯(lián)方法,為規(guī)模制備單鏈納米顆粒及復(fù)合功能體系奠定了基礎(chǔ),其組成、微結(jié)構(gòu)可控。提出了空間位阻約束的單鏈鍵接功能膠體方法,為規(guī)模制備單鏈-膠體復(fù)合體系奠定了基礎(chǔ)。Perspective對Janus顆粒的未來發(fā)展進(jìn)行了展望:
精準(zhǔn)構(gòu)筑. 制備具有精細(xì)微結(jié)構(gòu)的Janus顆粒具有重要意義,尤其是亞10納米尺度Janus復(fù)合功能顆粒。楊振忠等指出兩個重要方向值得關(guān)注:1)是否可以通過從單體聚合直接得到單鏈納米顆粒和復(fù)合體系,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(鏈與膠體連接順序及空間分布)可控?通過單活性中心聚合多價單體實現(xiàn)高濃度的分子內(nèi)環(huán)化仍然面臨挑戰(zhàn)。2)是否可通過聚合物單鏈和膠體作為基本單元構(gòu)建更加精細(xì)微結(jié)構(gòu)?需要開發(fā)有效制備方法,精確調(diào)控不同聚合物單鏈在給定功能膠體上的接枝數(shù)目和空間位置。
功能集成. 未來的Janus納米顆粒將用作小型化設(shè)備和納米機(jī)器人可能性。復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能集成對Janus納米顆粒的設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn),需要化學(xué)、物理、材料、電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的多學(xué)科合作推動該領(lǐng)域的全面發(fā)展。
規(guī)模合成. 目前,楊振忠團(tuán)隊在前期的乳液聚合聯(lián)合功能物質(zhì)復(fù)合研究基礎(chǔ)上,率先(目前唯一)實現(xiàn)亞微米級Janus功能顆粒的規(guī)模生產(chǎn),在功能復(fù)合材料和環(huán)保、能源等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值(如乳化體系的深度高效處理)。靜電介導(dǎo)的單鏈分子內(nèi)交聯(lián)和空間位阻約束的單鏈鍵接等基本方法為亞10納米Janus納米粒子規(guī)模制備提供了保證。楊振忠等進(jìn)一步提出基于“3H” 規(guī)則的合成策略(高固含量、高單體轉(zhuǎn)化率和高反應(yīng)速率),以期通過多價單體的順序活性聚合規(guī)模制備具有組成和序列可調(diào)的Janus聚合物鏈-膠體雜化體系。
首先介紹了SCNPs的制備方法,對其形貌特征,包括環(huán)狀聚合物、螺旋狀及多組分SCNPs進(jìn)行了總結(jié)。通過將單鏈聚合物與膠體顆粒雜化,進(jìn)一步拓展SCNPs結(jié)構(gòu)和功能,為發(fā)展單鏈-膠體雜化納米顆粒及其功能材料體系提供了重要方法。文章著重討論了規(guī)模制備SCNPs和單鏈-膠體雜化納米顆粒的典型方法。作者進(jìn)一步討論了單鏈-膠體雜化納米顆粒在催化、界面和生物領(lǐng)域等關(guān)鍵領(lǐng)域的重要應(yīng)用。文章最后,作者提出單鏈-膠體雜化納米顆粒的三個關(guān)鍵問題:1. 是否可以構(gòu)建形貌結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且精確的單鏈雜化納米顆粒?2. 如何賦予單鏈雜化納米顆?稍O(shè)計組成及特性?3. 是否可以實現(xiàn)以3H(high solid content, high conversion, high reaction rate)為基準(zhǔn)的制備方法?這些問題的有效解決將為單鏈-膠體雜化納米顆粒的突破發(fā)展提供重要保障。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委重點項目、清華大學(xué)人才引進(jìn)啟動基金和科技部“綠色生物制造”項目等支持。清華大學(xué)楊振忠尤其感謝杰青基金和分子科學(xué)中心基金在該方向的早期啟動資助。
論文信息:
Polymer-Derived Janus Particles at Multiple Length Scales
Yue Shao; Yilan Ye; Dayin Sun; Zhenzhong Yang*
Macromolecules 2022, 55, 15, 6297–6310
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00512
Progress in Polymer Single-Chain Based Hybrid Nanoparticles
Yue Shao, Zhenzhong Yang*
Progress in Polymer Science
https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2022.101593
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