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化学世界
层层自组装技术应用研究进展
杨耀彬,苏丽娜,王婀娜
(吉林化工学院化学与制药工程学院,吉林吉林132022)
摘要:层层自组装(LBL)作为一种新型技术,能够实现在分子水平上控制膜的组成、结构和厚度,
因而在功能薄膜材籵领城和核壳结构材料中有着广泛地应用。按自组装作用力(如静电交替吸附
作用、氢键作用、共价键作用等)的类型及在光电器件、生物医药、分离膜等方面的应用,综述了层层
自组装技术的发展和研究现状,并展望了其研究前景。
关键词:层层自组装;功能薄膜;应用
中图分类号:O647.11
文献标志码:A
文章编号:0367-6358(2014)10-0636-05
Research Progress of Layer-by-layer Self-assembly Technology
YANG Yao-bin, SU Li-na, WANG A-na
( School of Chemistry and Pharmaceutical Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022, China
Abstract: As a new technology, layer-by-layer(1__)self-assembly can control the composition, structure
and thickness of film at molecular level, so it has been widely used in the field of functional film and core-
shell structure materials. The development and research of layer-by-layer self-assembly technology was re-
viewed according to the type of self-assembly interaction (such as alternating electrostatic adsorption, hy
drogen bonding, covalent bond) and the applications in optoelectronic devices, bio-medicine and separation
mem brane. Furthermore, the prospect was described in the paper.
Key words: layer-by-layer self-assembly; functional thin film; application
随着复合材料技术的不断发展和进步,低成本、聚电解质在液/固界面通过静电作用层层交替沉积
高性能、少污染的复合材料及器件成为功能材料研形成多层膜的新技术。所谓层层自组装技术,就是
究的方向和发展趋势。功能型复合材料以其独有的利用逐层交替沉积的原理,通过溶液中目标化合物
光学、电学、磁学以及化学性质,广泛的应用于光电与基片表面功能基团的强相互作用(如化学键等)或
器件、分离膜、生物传感器、生物医药竽研究领域。弱相互作用(如静电引力、氢键、配位键等),驱使目
功能材料种类的多样性决定了其制备方法的多样标化合物自发地在基体上缔和形成结构完整、性能
性,在众多的制备方法中,层层自组装技术以其自稳定、具有某种特定功能薄膜的一]技术。层层
身特有的优势成为构筑功能纳米材料的一个有效自组装技术具有操作简单、膜厚可控等优点,备受科
的、便捷的方法。
研人员的重视。本文就自组装过程中的作用力以及
早在1966年,Ier就曾利用带相反电荷的胶体其在功能材料上的应用研究作一综述
粒子通过交替吸附的方法构筑多层结构2。19911层层自组装技术的作用力类型
年, Decher等人在此基础上提出了由带相反电荷的
功能材料的层层自组装过程需要借助一定的推
收稿日期:201309-16;修回日期:2013-12-12
作者简介:杨耀彬(1971-),女,河北保定人,博士·副教授,主要从事无机功能材料的制备与应用研究。F-mail:yyb-1972@163.com。
第10期
化学世界
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动力,来确保所得产物的结构具有稳定性。这些推膜,其红外光谱表明PVPy中的吡啶基团和PAA
动力主要有相反电荷物质间的静电作用、氢键、共价中的羧基形成了较强的氢键。Gao等利用氢键作
键、电荷转移等形式。借助不同的推动力可以制备用将多金属氧酸盐[BW12O。]F和杯芳烃组装制备
不同结构的功能材料。
出多层膜,由IR光谱可以验证多层膜是通过氢键
静电交替吸附作用
作用形成的。近几年,吕风珍等利用聚(4-乙烯基吡
静电作用是自然界中普遍存在的一种作用力,啶)中的吡啶基团与光敏聚丙烯酰氧基肉桂酸间的
也是构筑多层复合薄膜最常用的驱动力,它利用表氢键作用制备了L.BL型的自组装多层膜,用该薄膜
面带有相反电荷的不同电解质间相互交替吸附沉作为向列相液晶的取向膜所制成的平行液晶器件具
积,从而在基片上形成具有特定厚度的多层复合薄有均一稳定的取向效果?。
膜。具体说,就是将一个表面离子化(如带正电荷1.3共价键作用
)的基片浸到带有相反电荷的聚电解质(如聚阴离
由于离子键所形成的复合薄膜在极性溶剂和较
子)溶液中,静置一段时间,由于静电作用基片表面大离子强度的盐溶液中易受到侵蚀,所以在极性溶
会吸附一层聚阴离子。取出基片并用纯水冲洗干剂中稳定性较差。共价键强于静电力和氢键,具有
净,干燥,再浸人到阳离子聚电解质溶液中,静置
较大的键能,因此利用共价键组装成的多层膜的稳
段时间,就又吸附了一层聚阳离子,循环以上过程就定性较高。 Zhang等?利用共价键层层自组装技
可以得到多层自组装薄膜。LBL自组装多层膜的
术,以PS球为基板,将m-甲基苯酚-甲醛树脂
制备过程很简捷(如图1所示),这种使用普通烧杯
(MPR)和N-甲基-2-硝基-二萃胺-4-重氮树脂
即可循环进行的交替吸附过程,既可以人工操作,也
(NDR)组装,得到了核売结构纳米材料。这种核売
可以用自动化设备。
材料在四氢呋喃(THF)溶液中浸泡可去除PS球
模板,即得到空心胶囊。Kim等]也利用共价键作
用成功组装了具有生物适应亲水性的聚乙烯己二醇
的乙烯基矾衍生物和二硫苏糖醇溥膜材料
1.4电荷转移相互作用
电荷转移作用是电子在分子内或分子间进行部
分转移时形成的一种弱相互作用,它可以作为两种
非离子型聚合物层层组装的驱动力来制备薄膜材
3. Polycation s 0
2. Wash
料。以此为驱动力制备的薄膜含有均匀的疏水基
8o08
团,开展了非水体系有机物的应用。 Shimazaki
等?将聚2-(3',5'-二硝基苯甲酞)氧代甲基丙烯酸
乙酯( PDNBMA)和聚2-(9'-咔唑〉甲基丙烯酸乙酯
图1薄膜沉积过程中使用的玻片和烧杯()的原理图
( 2CZEMA)在有机溶剂中通过电荷转移相互作用
及前两个沉积步骤(B)的简化图
成功组装制备了复合薄膜。 Zhang等人在甲醇溶液
影响多层膜生长的因素有很多,刘溶液的离子
中,利用马来酸酐/苯乙烯共聚物(PMS)和重氮树