专利名称：毛细吸引下的胶体微球自组织及二维、三维胶体晶体制备方法
技术领域：
本发明涉及一种胶体微球的自组织及胶体晶体材料的制备，就是通过毛细吸引将单分散聚苯乙烯胶体微球的悬浊液自发地吸入微通道内，通过微通道内的自组装过程制备二维、三维胶体晶体的方法。
一般地，胶体微球的尺寸在微米或者亚微米量级，直接采用人工操作对微球进行移动而将它们排列成三维密堆结构，不仅难度大，而且效率低。现有多种技术能将胶体微球组装成胶体晶体。这些制备技术往往借助于胶体微球在某些特定作用力下所发生的自组装过程。总结起来，这些方法可以分为重力驱动下的沉积，静电排斥自组织、外加电场诱导沉积，压模技术，垂直沉积技术等等。
图1A显示了纯粹在重力场作用的下的沉积示意图，参见K.E.Davis，W.B.Russel，W.J.Glantschnig，Sicence 1989，245，507。得到的胶体晶体中往往含有较多的点或者面缺陷的多晶，晶体的厚度难于控制，制备周期较长。也不适用于那些自身重力大于在悬浮液中的浮力的胶体微球。
静电排斥自组织获得胶体晶体组装方法是依靠带电微球之间的静电排斥力而形成有序的结构，参见N.Ise，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1986，25，323。这种方法除了要求微球带电外，这种方法要求严格控制悬浊液中的胶体浓度，否则得到的很可能是体心立方、面心立方或者无序相中的混合相。与重力沉积方法一样，这种方法对扰动敏感。
外加电场诱导沉积要求胶体微球的表面带上相当量的电荷，对电场的强度要求精确控制。
图1B为压模技术的示意图，参见Y.Xia，B.Gates，Y.Yin，Y.Lu，Adv.Mater.2002，12 693。该技术的优点是可以应用于中性球；能够获得大面积的、厚度可控的胶体晶体；对微球的尺寸原则上没有限制。但对于尺寸特别小的微球，由于其压模牵涉到光刻技术，难度相应增大。
图1C显示了垂直沉积方法的示意图，参见“Self assembly lights up，”J.D.Joannopoulos，Nature，2001，414，257。与前面的技术相比，更易制备出大面积、高质量的单畴胶体晶体。但这种技术对周围的气氛要求特别高，对外界扰动也非常敏感。稍有扰动即可能得到的是含有大量缺陷的、甚至局部无序的胶体晶体。
本发明设有一个微小通道，以此通道内的毛细吸引，从而在通道内胶体微球自组织形成有序二维、三维胶体晶体结构。微小通道是一个簿片状通道。
发明采用了通过在两个平片如玻璃片之间放置间隔物，形成一个与间隔物厚度相同的微通道；然后将微通道的一端浸入到胶体微球的悬浊液中。微通道内水分蒸发发生其顶端。为了补偿管内被蒸发的水分，悬浊液会从微通道的下端被吸入管内，这就形成了一个由下至上的水流运动，同时带动着胶体微球一起向顶端运动。胶体微球到达顶端后，其运动受到限制。这些微球按照系统能量最低原则最终在微通道的顶端形成密堆结构。经过适当的时间后即可以制备出所需尺寸的单畴胶体晶体。平片亦如玻片、簿片等。
本发明适用于对任意尺寸的胶体微球；适用于带电和中性的胶体微球。
本发明中通过控制微通道内间隔物厚度，可以非常方便得精确控制胶体晶体的厚度。
本发明中给定胶体微球的直径d、组成胶体晶体层数N，为了在微通道中不生长出层数为N+1的胶体晶体，微通道的厚度HN须满足(63(N-1)+1)d<HN<(63N+1)d.]]>本发明对周围气氛没有特殊要求；抗干扰性强；对胶体微球悬浊液的浓度无特殊要求。
本发明技术工艺简单，制备周期短，效率高，能制备出大面积的、高质量的单畴二维和三维长程有序结构胶体晶体。
图2为本发明的结构装置示意图。夹子1、玻片2、间隔物3、容器4、胶质小球悬浊液5、隔层内水流运动方向6。小球在上端形成有序的排序结构7。
图3为本发明采用直径1.5微米的单分散聚苯乙烯微球制成的二维胶体晶体的局部区域扫描电子显微镜(SEM)照片。
图4为本发明采用直径1.5微米的单分散聚苯乙烯微球制成的二维胶体晶体的边缘区域SEM照片。
图5为本发明采用直径650纳米的单分散聚苯乙烯微球制成的三维胶体晶体表面的SEM照片。
图6为本发明采用直径650纳米的单分散聚苯乙烯微球制成的三维胶体晶体的剖面SEM照片。
图7为本发明采用直径500纳米的单分散二氧化硅微球制成的三维胶体晶体表面及断面形貌SEM照片。
本发明首先是选取一个波片作为衬底，将其平放。然后将两个完全相同的、具有一定厚度的分隔物平行放置在波片上。再在其上覆盖一个同样大小的波片。最后在保持两个波片的相对位置下，将它们固定起来。
本发明中的分隔物可以是圆柱型或者横切面为矩形的介质棒，如图2所示。间隔物的材料选取能承受一定挤压而不变形的介质材料。夹子1用以固定两个玻片2、间隔物3、容器4装胶质小球悬浊液5。隔层内水流运动方向带动小球一起运动，水分从玻片上端开始蒸发，同时小球在上端形成有序的排序结构，水从玻片下端进入隔层去补偿从上端蒸发的水分，与此同时，悬浊液中的小球也被带入了隔层内。
本发明也可以采用单分散的二氧化硅球作为间隔物。两个波片之间的距离等于二氧化硅球直径。
本发明将制备好的微通道的一端浸入到配置好的胶体微球悬浊液中。在胶体生长到所需要的尺寸后，将微通道从悬浊液中提出。最终制备出大面积的单畴的胶体晶体。
本发明在胶体晶体生长的过程中对胶体悬浊液同时实施搅拌，这样可防止在晶体长时间生长过程中胶体微球沉积到悬浊液的底部。
本发明中胶体晶体是在两个相对位置固定的衬底之间形成的微通道内生长的。本发明中悬浊液的搅动不影响晶体的生长。
作为制备二维胶体晶体的例子，在两个玻片(尺寸为1.6cm×2.5cm)之间采用二氧化硅球(直径为1.8微米)作为间隔物，用两个夹子夹住玻片两侧，形成一个厚度为1.8微米微通道。配制胶体微球悬浊液为15mL，放入容量为20mL的坩埚内，进行磁搅拌。聚苯乙烯微球直径为1.5微米。晶体生长时间为8小时。
图3是本发明采用直径1.5微米聚苯乙烯微球制成的二维胶体晶体的中间局部区域SEM照片。聚苯乙烯微球排列成高度有序的六角密堆结构。
图4为本发明采用直径1.5微米聚苯乙烯微球制成的二维胶体晶体边缘局部区域SEM照片。从图中证实是单层的、二维周期有序结构晶体。
作为制备三维胶体晶体的例子，在两个玻片(尺寸为1.6cm×2.5cm)之间采用二氧化硅球(直径为1.8微米)作为间隔物，用两个夹子夹住玻片两侧，形成一个厚度为1.8微米微通道。配制胶体微球悬浊液为15mL，放入容量为20mL的坩埚内，进行磁搅拌。聚苯乙烯胶体微球直径为650纳米。晶体生长时间为12小时。
图5本发明采用直径为650纳米的聚苯乙烯微球制成的三维胶体晶体表面的SEM照片。可以看出微球在表面排列成有序结构。
图6是发明采用直径为650纳米的聚苯乙烯微球制成的三维胶体晶体的剖面SEM观测结果。可看到这个晶体有三层，在断面上的排列同样是长程有序的，证明本发明制备的三维胶体晶体内部排列长程有序性。
作为制备三维胶体晶体的例子，在两个玻片(尺寸为1.6cm×2.5cm)之间采用厚度为9.0微米的间隔物，形成的微通道。图7是发明采用直径为500纳米的二氧化硅微球制成的三维胶体晶体的表面和断面SEM观测结果。可看到这个晶体有24层，断面上的长程有序表明本发明制备的三维胶体晶体内部排列长程有序性。
权利要求
1.一种毛细吸引下的胶体微球自组织及二维、三维胶体晶体的制备方法，其特征是设有一个微小通道，以此通道内的毛细吸引，从而在通道内胶体微球自组织形成有序二维、三维胶体晶体结构。
2.由权利要求1所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是微通道是一个簿片状通道。
3.由权利要求1或2所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是采用圆柱形或者横截面为矩形的介质棒，平行放置在两个平整衬底之间，形成的毛细通道。
4.由权利要求1或2所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是采用单分散介质球作为间隔物，放置在两个平整衬底之间，形成毛细通道。
5.由权利要求2或3所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是将毛细通道浸入到微球悬浊液中，利用通道内毛细吸引力将悬浊液吸入到微通道内。胶体晶体在微通道内部液柱的顶端通过自组织过程生长。
6.由权利要求5所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是在晶体生长过程中对胶体微球悬浊液进行搅拌，使得晶体生长过程中悬浊液的胶体浓度处于均匀状态。
7.由权利要求5或6所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是通过调节微通道的厚度来控制胶体晶体的厚度。
8.由权利要求1或2所述的二维和三维胶体晶体的制备方法，其特征是生长聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球和各种复合介电体胶体微球。
9.由权利要求7所述的二维和三维胶体晶体制备方法，其特征是胶体微球直径d、胶体晶体内微球的层数N、组成毛细管的两个衬底之间的间距HN满足(63(N-1)+1)d<HN<(63N+1)d.]]>
全文摘要
一种毛细吸引下的胶体微球自组织及二维、三维胶体晶体的制备方法，设有一个微小通道，以此通道内的毛细吸引，从而在通道内胶体微球自组织形成有序二维、三维胶体晶体结构。微通道是一个簿片状通道。采用圆柱形或者横截面为矩形的介质棒，平行放置在两个平整衬底之间，形成的毛细通道。本发明对周围气氛没有特殊要求；抗干扰性强；对胶体微球悬浊液的浓度无特殊要求。本发明技术工艺简单，制备周期短，效率高，能制备出大面积的、高质量的单畴二维和三维长程有序结构胶体晶体。
文档编号B01J13/00GK1470319SQ03131989
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月25日 优先权日2003年6月25日
发明者王振林, 陈卓, 詹鹏, 章建辉, 章维益, 王慧田, 闵乃本 申请人:南京大学