專利名稱：一種外磁場調(diào)控非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自組裝方法，尤其涉及一種外磁場調(diào)控非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法。
背景技術(shù)：
三維周期結(jié)構(gòu)是一種人造的空間周期結(jié)構(gòu)，因能夠利用其帶隙效應(yīng)和缺陷效應(yīng)實現(xiàn)對光子的自由操縱和控制，在量子信息處理、光信息處理以及生物傳感等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來一直是研究的熱點。三維周期結(jié)構(gòu)的制備方法很多，如精密加工技術(shù)、半導體制造技術(shù)、膠體自組裝法、模板法以及激光制造技術(shù)等等，而自組裝法被認為是制備近紅外、光學以及更短波段三維周期結(jié)構(gòu)的最有效的方法。自組裝方法主要包括垂直沉積自組裝法、重力自組裝法、離心自組裝法、以及基片提拉法自組裝法等。其中，垂直沉積自組裝法是通過控制膠體顆粒的尺寸、蒸發(fā)溫度、壓強等幾個重要的參數(shù)，得到厚度可控的 三維周期結(jié)構(gòu)，其工藝及設(shè)備簡單，組裝時間短(一般幾個小時)、制備的樣品大面積有序且缺陷較少。因此，為了在較短時間內(nèi)得到大面積結(jié)構(gòu)高度有序的三維周期結(jié)構(gòu)，垂直沉積自組裝法成為近年來科研研究者進行球形結(jié)構(gòu)基元三維周期結(jié)構(gòu)制備的首選方法之一。目前國內(nèi)外三維周期結(jié)構(gòu)的組裝主要采用球形微納米膠體顆粒，通過利用干燥法、沉降法及自組裝法等得到高度有序的周期結(jié)構(gòu)，然后探索其在微納光子學、微納生物化學等領(lǐng)域的重要作用。但由橢球膠體顆粒、花生形膠體顆粒、方形、星形顆粒等組成的三維周期結(jié)構(gòu)具有許多特殊的光學性能，在各個領(lǐng)域，特別是在偏振可控新型光學器件方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。因而，近年來，非球形膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)的組裝，引起了人們極大的興趣。在非球形膠體顆粒中，橢球顆粒應(yīng)具有接近于球形的性質(zhì)，得到了科研工作者的廣泛關(guān)注，成為非球形微納米顆粒三維周期結(jié)構(gòu)組裝的重要材料。但傳統(tǒng)的周期結(jié)構(gòu)制備方法，如干燥法、沉降法及自組裝法等由于只滿足顆粒的位置有序而無法單獨用來制備高質(zhì)量的橢球形結(jié)構(gòu)基元三維周期結(jié)構(gòu)。2009年，宋凱課題組通過利用外磁場，實現(xiàn)了磁性橢球形Y-Fe2O3OSiO2核殼結(jié)構(gòu)的三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝，并初步證實了該結(jié)構(gòu)的帶隙可調(diào)。國內(nèi)外關(guān)于非磁性橢球形膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)制備的研究很少，主要采用的直接通過利用自組裝法來獲得非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)，但得到的結(jié)構(gòu)缺陷很多，且顆粒的排列非常雜亂。而關(guān)于高質(zhì)量非磁性橢球形膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)制備方面的研究成果完全沒有，也沒有相關(guān)的文獻發(fā)表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種外磁場調(diào)控非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，解決上述非磁性膠體顆粒的有序程度低、重復性低、面積小等技術(shù)問題，該方法具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單且獲得的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)具有高度有序、厚度可調(diào)等優(yōu)點。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于非磁性聚苯乙烯膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)是以磁流體作為載體，結(jié)合垂直沉積自組裝法和外磁場調(diào)控技術(shù)制備而成，包括以下步驟1)將橢球置于小玻璃瓶中，利用超聲池超聲60min，使之橢球均勻分散在去離子水中；2)從小玻璃瓶中取出5ml帶有橢球的溶液，滴入濃度為O. 3%的磁流體O. 017ml，并超聲始終均勻分布；3)將該玻璃瓶置于真空箱中，控制小玻璃瓶液面處的磁場強度為210G ；4)在蒸發(fā)溫度35°C，壓強為45mmHg的條件下，生長6h，得到空隙內(nèi)充滿磁流體的非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)；5)利用氫氟酸蒸汽進行腐蝕，去掉三維周期結(jié)構(gòu)中的磁流體成分，蒸汽腐蝕時間為lOmin，得到純聚苯乙烯非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。所述在步驟3)中，在小玻璃瓶的上下兩端各放置條形磁鐵一根，使得摻有非磁性 聚苯乙烯橢球膠體顆粒的磁流體溶液處在勻強磁場中，有利于橢球構(gòu)筑基元的取向排列。所述在步驟3)中，在小玻璃瓶的上下兩端各放置條形磁鐵一根，兩條磁鐵可以圍繞小玻璃瓶同步轉(zhuǎn)動，進而控制橢球構(gòu)筑基元的取向。所述在步驟I)中，非磁性聚苯乙烯橢球膠體微球是通過對聚苯乙烯球形膠體顆粒拉伸制得，顆粒的縱橫比為I. Γ1. 7。所述將步驟4)干燥后的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)至于氫氟酸蒸汽中，使得磁流體完全被腐蝕完畢，只剩下非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。構(gòu)筑基元的短軸半徑為微納米級別。所使用的磁流體為水基磁流體。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，由于是以磁流體充當溶劑，利用外加兩塊磁鐵組成的平行磁場來對非磁性聚苯乙烯橢球膠體進行高度有序三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝，可以通過控制磁流體的濃度、膠體顆粒縱橫比、外磁場的強弱、蒸發(fā)溫度和壓強等，得到面積較大的非磁性橢球聚苯乙烯膠體顆粒的三維有序排列。本發(fā)明中，只用到了真空箱、真空泵、磁流體和磁鐵，無需任何其他的外部條件和工藝，因此具有成本低、操縱簡單、可重復性高、高度有序的非磁性橢球聚苯乙烯膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。


圖I非磁性橢球聚苯乙烯橢球膠體顆粒的制備方法系統(tǒng) 圖2非磁性橢球聚苯乙烯橢球膠體顆粒的SEM圖像，縱橫比分別為I. I (a)和I. 7 (b)； 圖3非磁性橢球聚苯乙烯橢球膠體顆粒的自組裝裝置 圖4外磁場調(diào)控下非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的AFM圖像，空隙中填充物為磁流體；
圖5利用氫氟酸去掉磁流體后非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的側(cè)面SEM圖像。
具體實施例方式本發(fā)明的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，主要是采用非磁性橢球形膠體顆粒作為構(gòu)筑基元，采用磁流體作為分散液，將非磁性橢球形膠體顆粒均勻分散在磁流體中，在外磁場的作用，導致非磁性橢球膠體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，變得取向有序，并進一步利用垂直沉積自組裝法，得到具有磁流體填充的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)，隨后，利用氫氟酸蒸汽，將磁流體去掉，得到高度有序非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的組織方法，通過以下步驟實現(xiàn)
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方法來實現(xiàn)
一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的組織方法，其特征在于，所述的方法包括下列步驟
I)將球形聚苯乙烯膠體顆粒均勻分散在PVA中，形成膠體薄膜，懸掛拉伸后(懸掛物重109. 227g-118. 782g)，將膠體薄膜溶于水中，加熱出去PVA，得到縱橫比(I. 3、I. 7、I. 9三 種)均勻的非磁性橢球膠體顆粒。2)將非磁性膠體顆粒分散到稀釋的水基磁流體中(O. 017ml的磁流體與5ml的去離子水摻和)，超聲使之分布均勻，然后將玻璃基底垂直插入該溶液中，并將盛裝溶液的玻璃器皿平穩(wěn)放入真空箱中。在該器皿的上邊和下邊放條形磁鐵，使得該器皿處于平行磁場中。3)控制磁鐵與器皿液面的距離得到合適的磁場力(210G)，在35°C的蒸發(fā)溫度，45mmHg的壓強下，由于液體的蒸發(fā)和外磁場的調(diào)控作用，經(jīng)6h后得到非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的組裝。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。實施例I :
本實施方式中的非磁性橢球膠體顆粒的制備主要是利用聚苯乙烯球形顆粒拉伸而成，其制備的示意圖如圖I所示。制得的聚苯乙烯非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的SEM圖像可見圖2.顆粒的縱橫比為I. 1、1. 7兩種。從圖2中可以看出，非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的粒徑分布比較均勻、形狀基本一致。實施例2 :本實施方式中一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法主要是通過將非磁性橢球膠體顆粒均勻分散在磁流體中，在外磁場調(diào)控下，通過垂直沉積自組裝方法得到高度有序的三維周期結(jié)構(gòu)。外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝裝置系統(tǒng)如圖3所示。實施例3
本實施方式制備具體實施例2所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，通過以下步驟實現(xiàn)1)將實施例I中制備得到的橢球置于小玻璃瓶中，利用超聲池超聲60min，使之橢球均勻分散在去離子水中；2)從小玻璃瓶中取出5ml帶有橢球的溶液，滴入濃度為O. 3%的磁流體O. 017ml，并超聲始終均勻分布；3)將該玻璃瓶置于真空箱中，并在其上下兩端各放置條形磁鐵一根，使之處于勻強電場中，通過調(diào)節(jié)磁鐵的位置，控制小玻璃瓶液面處的磁場強度為210G ;4)在蒸發(fā)溫度35°C，壓強為45mmHg的條件下，生長6h，得到空隙內(nèi)充滿磁流體的非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)，如圖4所示。由圖4可見，非磁性橢球膠體顆粒排列緊密，取向有序，為面心立方結(jié)構(gòu)。本實施方式中制備工藝簡單快速、可操縱性強，能得到非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。這結(jié)構(gòu)的形成都只是利用外磁場、磁流體和自組裝方法得到，無需任何其他的外部條件和工藝，制備工藝成本低。實施例4
本實施方式將上述實施例3中得到的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)，利用氫氟酸蒸汽進行腐蝕，去掉三維周期結(jié)構(gòu)中的磁流體成分，蒸汽腐蝕時間為lOmin，得到純聚苯乙烯非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)，如圖5所示。由圖5可見，在外磁場的調(diào)控下，利用自組裝法制備的非磁性橢球膠體顆粒具有很好的三維周期結(jié)構(gòu)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于非磁性聚苯乙烯膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)是以磁流體作為載體，結(jié)合垂直沉積自組裝法和外磁場調(diào)控技術(shù)制備而成，包括以下步驟1)將橢球置于小玻璃瓶中，利用超聲池超聲60min，使之橢球均勻分散在去離子水中；2)從小玻璃瓶中取出5ml帶有橢球的溶液，滴入濃度為O.3%的磁流體O. 017ml，并超聲始終均勻分布；3)將該玻璃瓶置于真空箱中，控制小玻璃瓶液面處的磁場強度為210G ;4)在蒸發(fā)溫度35°C，壓強為45mmHg的條件下，生長6h，得到空隙內(nèi)充滿磁流體的非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)；5)利用氫氟酸蒸汽進行腐蝕，去掉三維周期結(jié)構(gòu)中的磁流體成分，蒸汽腐蝕時間為lOmin，得到純聚苯乙烯非磁性橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于，在步驟3)中，在小玻璃瓶的上下兩端各放置條形磁鐵一根，使得摻有非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的磁流體溶液處在勻強磁場中，有利于橢球構(gòu)筑基元的取向排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于，在步驟3)中，在小玻璃瓶的上下兩端各放置條形磁鐵一根，兩條磁鐵可以圍繞小玻璃瓶同步轉(zhuǎn)動，進而控制橢球構(gòu)筑基元的取向。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于，在步驟I)中，非磁性聚苯乙烯橢球膠體微球是通過對聚苯乙烯球形膠體顆粒拉伸制得，顆粒的縱橫比為I. Γ1. 7。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于，將步驟4)干燥后的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)至于氫氟酸蒸汽中，使得磁流體完全被腐蝕完畢，只剩下非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于構(gòu)筑基元的短軸半徑為微納米級別。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，其特征在于，所使用的磁流體為水基磁流體。
全文摘要
一種外磁場調(diào)控的非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)的自組裝方法，非磁性橢球膠體顆粒三維周期結(jié)構(gòu)以非磁性聚苯乙烯膠體顆粒為構(gòu)筑基元，利用稀釋的磁流體為載體，在外磁場的作用，通過垂直沉積自組裝而成。通過控制磁流體的濃度、膠體顆粒縱橫比、外磁場的強弱、蒸發(fā)溫度和壓強等，可以得到高度有序、厚度可控、構(gòu)筑基元取向可控的非磁性聚苯乙烯橢球膠體顆粒的三維周期結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制備方法采用垂直沉積自組裝法和外磁場調(diào)控技術(shù)，以非磁性聚苯乙烯膠體顆粒、磁流體為材料，不需要借助任何其他方法，在商業(yè)化載玻片上沉積三維周期結(jié)構(gòu)。
文檔編號C08L25/06GK102942703SQ20121051325
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者劉桂強, 劉正奇, 黎磊, 陳元浩, 黃寬, 胡瑩, 張向楠, 唐發(fā)林, 龔麗霞 申請人:江西師范大學