一种基于气体模版组装纳米材料的方法及其制品和应用与流程

本发明涉及纳米材料领域，具体地，涉及一种基于气体模版组装纳米材料的方法及其制品和应用。

背景技术：
随着纳米材料在合成方面的研究开发和纳米材料在工业应用方面的潜在的巨大应用价值的显现，实现不同纳米材料的有序组装，开发纳米材料在光学元件、微电子电路、磁性器件方面的潜在应用价值，受到了广泛的关注。特别是利用简单的方法实现功能性纳米材料的有序组装，对功能薄膜器件的应用方面具有潜在的价值。纳米材料的组装是链接纳米材料科技和电子器件制备微型化的桥梁。所以，随着电子器件的小型化，社会对于纳米材料的需求也越来越迫切，并进行了相关的探索和研究，目前纳米材料的组装主要用两种途径；一类是自下而上(Top-down)的方法；另一类是自下而上(bottom-up)的方法。自下而上的方法即是以分子、纳米材料作为基本结构基元，通过一定的相互作用，形成比较特殊的纳米结构。作为近年来逐渐发展起来的全新领域，纳米材料的组装时将纳米材料进行组织化和有序化的技术，所制备的复合结构具有一系列全新的物理化学性质，研究这类体系一方面是探索制备特殊纳米结构的方法，也对这类结构的特殊物理化学性质进行研究，并且为这些性质的潜在应用做好准备工作；另一方面也会加深人们对纳米结构的认识，并结合这方面的研究开展对此体系更加深入的探索，这不但具有科学意义，而且具有重要的应用价值。目前组装纳米材料的方法有很多，如利用粒子之间作用的方法(氢键、范德华力、静电引力等)，模板的方法(DNA、碳纳米管、共聚物、多孔氧化铝以及纳米纤维等)，界面组装以及外场作用的方法。但是这些方法往往是随机地在目标基底上组装，很难得到规整的、密堆积的纳米材料组装结构。因此，在纳米材料组装体的可控阵列化制备，特别能够将这些纳米材料进行程序化组装，使其能够准备定位于目标基底形成周期性图案，并开拓其在工业上的应用前景，是目前纳米材料组装研究中的一个热点。授权公告号为CN103253629B的中国发明专利公开了一种纳米粒子精确有序组装方法，该方法首先利用光刻的方法对硬质的板材进行表面刻蚀，在硬质的板材表面进行表面刻蚀，在硬质的板材表面得到具有规整排列的柱状阵列结构；然后分别将表面具有规整排列的柱状阵列结构的板材和平整表面的板材作为下基地和上基底，并在之间填充含有纳米粒子的悬浮液组成三明治的夹层结构；带悬浮液中的溶剂挥发后，将上下基底分离，在具有平整表面的板材表面得到精确组装的纳米粒子阵列。该方法虽然可以把纳米材料组装成纳米线等一维结构，却无法把纳米材料组装成二维网格结构，从而限制了其在OLED、LCDs、手机触摸屏等方面的应用。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种工艺简单可控、可大面积应用的基于气体模版组装纳米材料的方法。为了实现上述目的，本发明提供一种基于气体模版组装纳米材料的方法，该方法包括如下步骤：1)制备表面具有图案化结构的基材；2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系；3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的纳米材料组装液，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列；4)去除所述纳米材料组装液中的溶剂，纳米材料在上基底上以图案化二维气泡阵列为模板组装。本发明还提供了通过上述方法制备得到的纳米材料网格结构。本发明还提供了通过上述方法制备得到的纳米材料网格结构在透明导电膜、微流体芯片的制备中的应用。通过上述技术方案，利用表面具有图案化结构的基材控制微小气泡的融合，以图案化结构为泡模版实现了二维气大小、形状和排列的精确控制，并以形成的图案化二维气泡阵列为模板进行纳米材料的精确组装。并且，该方法简单快捷，可控性强，均一性好，制备成本低，便于大规模生产。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明实施例1中的表面具有规整排列的圆柱状阵列的硅片的示意图；图2是本发明实施例6中表面具有规整排列的圆柱状阵列的硅片与表面平整的石英片组成的夹层结构的示意图；图3是本发明实施例1中的基于表面具有六边形排列的圆柱阵列的硅片、含有纳米粒子的悬浮液(包括化学反应产生的气泡)、以及具有平整表面的玻璃片组成的三明治结构的示意图；图4是本发明实施例2中得到的银纳米粒子组装的正六边形排列的网格结构的显微镜明场图片。图5是本发明实施例2中得到的银纳米粒子组装的正六边形排列的网格结构的扫描电镜图片。附图标记说明1、微小气泡融合得到的气泡2、纳米材料具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本发明提供的基于气体模版组装纳米材料的方法，该方法包括如下步骤：1)制备表面具有图案化结构的基材；2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系；3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的纳米材料组装液，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列；4)去除所述纳米材料组装液中的溶剂，纳米材料在上基底上以图案化二维气泡阵列为模板组装。根据本发明，在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的纳米材料组装液的步骤中，可以在纳米材料组装液中产生微小气泡后，将含有微小气泡的纳米材料组装液填充到所述气泡生成体系中，也可以在将纳米材料组装液填充到所述气泡生成体系后，再在纳米材料组装液中形成微小气泡。根据本发明，所述含有微小气泡的纳米材料组装液中的微小气泡的产生方法没有特别的限定，具体地，可以通过物理方法或化学方法产生。作为产生所述微小气泡的物理方法，可以为本领域常规使用的各种方法，例如可以为流体聚焦法或超声波法。在本发明中，流体聚焦法通过向纳米材料组装液中注入分隔空气所形成的微小气泡。该方法为本领域所公知，对于其具体条件没有特别的限定，可以采用本领域公知的条件。另外，超声波法也为本领域所公知，对于其具体条件也没有特别的限定，可以采用本领域公知的条件。作为产生所述微小气泡的化学方法，没有特别的限定，可以为能够产生气体的化学反应方法。优选的情况下，所述化学方法为选自过氧化氢或过氧化脲的催化分解、硼氢化物的水解反应、碳酸盐的酸解反应和碳酸氢盐的酸解反应的一种或多种。其中，硼氢化物的水解反应为在酸性条件下硼氢化物水解生成氢气的反应，所述硼氢化物可以为选自硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化镁和硼氢化钙中的一种或多种，优选为硼氢化钠；所述碳酸盐可以为碳酸钠和/或碳酸钾，所述碳酸氢盐可以为碳酸氢钠和/或碳酸氢钾。作为上述过氧化氢或过氧化脲的催化分解的催化剂，可以为选自金属纳米颗粒、三价铁离子和锰离子中的一种或多种。另外，为了便于控制反应的速度，更加稳定的形成图案化二维气泡阵列，优选地，所述化学反应为固体和液体反应生成气体的化学反应，具体可以为硼氢化钠与酸溶液反应产生氢气，过氧化脲在催化剂(如银纳米粒子)作用下分解产生氧气等。根据本发明，在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的纳米材料组装液的步骤中，如果选用物理方法产生微小气泡，优选在所述纳米材料组装液中产生微小气泡后，将含有微小气泡的纳米材料组装液填充到所述气泡生成体系中；如果选用化学方法产生微小气泡，优选在将所述纳米材料组装液填充到所述气泡生成体系后，再进行化学反应在所述纳米材料组装液中形成微小气泡。根据本发明，所述纳米材料组装液包含纳米材料和溶剂。为了更好地完成纳米材料的组装，所述组装液中的纳米材料的含量为0.01-50质量％。根据本发明，所述纳米材料的种类没有特别限定，可以根据需要适当选择。具体可举出选自胶体微球、纳米颗粒、纳米线、碳纳米管、石墨烯、和选自以PS纳米微球或无机纳米球(如二氧化硅纳米球、二氧化钛纳米球、氧化铁纳米球等)为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳、铜壳、DNA分子、有机荧光分子、功能小分子或者功能高分子的核壳结构纳米颗粒中的一种或多种。优选的情况下，所述纳米颗粒为选自铂、金、银、铜、氧化锌、氧化铁、四氧化三铁、二氧化钛、二氧化硅、CdTe量子点中的一种或多种。根据本发明，所述纳米材料为微球、纳米颗粒等球状或近球状微粒时，其直径为5-1200nm，优选为10-300nm；所述纳米材料为纳米线时，其直径为5-200nm，优选为10-50nm，长径比为5-50，优选为8-15；所述纳米材料为碳纳米管时，其长度为30-800n...