南科大何凤副教授课题组在《Nature Communications》上发表聚合物二维超分子自组装重要研究成果
二维纳微米材料有着独特超薄扁平的平面结构从而具有独特的载流子传输特性、刺激响应特性和加工特性，是一类具有广泛应用价值的新型材料。相较于传统的对大块层状材料进行机械加工的制备手段，从分子设计入手，利用微观的超分子自组装技术直接制备离散稳定的二维微纳材料的方法具有操作简便、收率稳定和低成本的优势，从而受到科学工作者的广泛关注成为研究热点。近年来的研究成果中，通过半结晶性的嵌段共聚物的结晶作用驱动分子在溶液中原位自组装被认为是一种较为成熟的构筑二维微纳机构的手段。然而，一方面，该种方法制备得到的二维材料多为“硬材料”，不利于在应用方面进行制造加工；另一方面，受限于结晶对称性，结晶驱动所得的二维材料多为三角形、长方形、六边形等形状，高度对称性的正方形和圆形二维自组装材料鲜有报道。
近日，南方科技大学何凤副教授研究团队着眼于采用共轭嵌段共聚物为构筑单元，通过分子间的π-π相互作用这一非结晶过程驱动分子自组装的进行，获得了具有更大比表面积、更高稳定性和柔性的高对称正方形二维自组装软材料。材料的构筑基元分子为嵌段共聚物PPV-b-P2VP，该分子由共轭的PPV成核嵌段和强极性的P2VP延展嵌段组成，是典型的两亲性自组装特性分子。使其在异丙醇溶液中经历“溶解-降温-陈化”这一简单过程，制备得到了均一分散的二维正方形自组装胶束。这些正方形二维胶束具备良好的膜形貌，拥有良好的柔性和稳定性，尺度范围跨度从100 nm至10 μm。通过调节共聚物的嵌段长度比和生长溶液的浓度，可以实现对所得二维正方形自组装结构的尺寸进行较为精确的调控。
图1 嵌段共聚物PPV-b-P2VP分子结构及所形成的二维自组装胶束电镜及激光共聚焦照片
利用激光共聚焦显微镜、紫外吸收光谱和动静态光散射测试对二维微纳软材料的组装过程进行了跟踪，解析了正方形二维材料在溶液相中首先通过亲疏作用聚集，进而通过共轭分子间的H聚集作用由一维至二维的生长过程。结合对正方形二维胶束进行的高分辨显微镜拍摄、选区电子衍射、掠入射广角X射线散射测试和分子动力学模拟，确认了所得二维材料的非晶态性质以及PPV嵌段间的π-π相互作用对于二维正方形胶束形成的驱动作用。
图2 a) 嵌段共聚物在溶液中随时间温度变化的紫外吸收可见光谱，b) 二维正方形胶束GIWAXS衍射图，c) 二维正方形微纳材料的SEAD图，d) 二维正方微纳材料的HRTEM照片
图3 嵌段共聚物分子通过π-π相互作用驱动自组装形成二维正方形微纳胶束的过程示意图
本项研究采用非结晶手段成功实现了聚合物可控二维自组装胶束的形成，为二维微纳材料的构筑提供了新的思路，对于聚合物二维自组装的研究有着重要的贡献。同时，通过此种简便手段获得的二维正方形软材料，有着良好的光学和电学特性，是一种可以预见的具有多种潜在应用价值的功能微纳材料。
此项成果发表在知名国际期刊《Nature Communications》上，工作主要由何凤研究组博士后韩亮（第一作者）和硕士王美晶（第二作者）完成，南方科技大学化学系为第一研究单位，何凤副教授为唯一通讯作者，美国阿贡国家实验室陈伟教授和吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室钱虎军教授分别对研究中的GIWAXS实验和分子动力学模拟进行了支持。
本项成果的研究开展得到了南方科技大学启动经费、国家青年千人项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市孔雀团队和深圳市科创委的经费支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03195-y
何凤课题组致力于有机共轭高分子材料的设计与合成工作，并在超分子自组装、有机聚合物太阳能电池及有机共轭高分子光电等多个方向上拓展其应用。课题组自成立以来，已在Nat. Commun., Chem. Mater., ACS. Energy Lett., J. Mater. Chem. A, Macromolecules等领域内顶尖刊物上发表论文多篇，其中2篇被选为杂志封面。
何凤副教授简介：
http://chem.sustc.edu.cn/index.php/staff/details/tid/12.html
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