專利名稱：垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用單分散微球或二氧化硅微球制備三維有序膠體晶體的方法，特別是涉及一種利用垂直雙基片法制備由單分散微球或二氧化硅微球組成的三維有序膠體晶體的方法。
背景技術(shù)：
單分散膠體微球體系在材料科學(xué)，化學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為膠體科學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)。單分散微球自組織成膠體晶體不僅使人們能夠得到具有周期性長程介觀有序結(jié)構(gòu)，而且能夠得到有應(yīng)用價(jià)值的功能性結(jié)構(gòu)材料。膠體微球形成的有序組裝可作為在成像過程中的光學(xué)微棱鏡；可作為蒸鍍或反應(yīng)型離子刻蝕構(gòu)造微米或納米結(jié)構(gòu)有序組裝的物理模板；還可作為用于軟光刻技術(shù)中彈性印章圖案化的模板結(jié)構(gòu)。目前，單分散微球制成的三維有序膠體晶體是單分散微球在光電材料等新型工業(yè)材料方面應(yīng)用的一個(gè)重要方向。通常由單分散聚合物微球或二氧化硅微球制成的三維有序膠體晶體因其三維有序結(jié)構(gòu)而具有的光學(xué)衍射和光帶隙性質(zhì)，因此它們是制造光濾光器、轉(zhuǎn)換器、生物和化學(xué)傳感器以及光子晶體或其它光學(xué)和電光器件的衍射元件的基礎(chǔ)材料。同時(shí)，它們可作為構(gòu)造有序大孔材料和高強(qiáng)度陶瓷的模板材料。而調(diào)控單分散聚合物微球或二氧化硅微球在制備三維有序膠體晶體時(shí)的制備條件是制備膠體晶體中重要的環(huán)節(jié)。重力場沉積、物理限制下的自組裝、電泳沉積等方法通常用來制備膠體晶體。美國專利4,803,688公開了一種利用靜置沉積法制備膠體晶體的方法，美國專利5,139,611也利用相似的方法來制備膠體晶體，但是要求外界無干擾。美國專利6,123,845和6,325,957也公開了制備膠體晶體的相應(yīng)方法，只是制備過程較為煩瑣或需要較特殊的裝置。同時(shí)在實(shí)際的應(yīng)用中，表面有序圖案化是制備相關(guān)實(shí)際器件中所需要的，因而膠體晶體在實(shí)際器件應(yīng)用中還需要被構(gòu)造各種不同有序微結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用垂直雙基片法由單分散聚合物微球或二氧化硅微球來制備三維有序膠體晶體的方法，同時(shí)提供一種利用垂直雙基片法來制備表面圖案化三維有序膠體晶體的方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明用無皂乳液聚合制備的表面功能化單分散交聯(lián)聚合物微球和沉淀法制備的單分散二氧化硅微球，然后利用垂直雙基片法在兩個(gè)基片間制備由單分散聚合物微球或二氧化硅微球組成的三維有序膠體晶體。
本發(fā)明所述的方法包括兩個(gè)步驟1.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備以蒸餾水為分散介質(zhì)，在每100ml蒸餾水中加入5-20克的苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯單體，并且加入單體質(zhì)量0-20％的(甲基)丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羥乙酯、4-苯乙烯磺酸鈉或乙烯芐基三甲基胺鹽酸鹽等功能單體，同時(shí)加入單體質(zhì)量0-20％的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷或二乙烯基苯作為交聯(lián)劑，單體質(zhì)量0.1-2％的過硫酸鉀、過硫酸銨或2，2’-二(2-甲基丙脒)二鹽酸鹽來引發(fā)聚合，單體質(zhì)量0-5％的碳酸氫鈉作為緩沖劑，一般的機(jī)械攪拌速度在100-400轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，在60-85℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液共聚合反應(yīng)，20小時(shí)后制得表面功能化的單分散交聯(lián)聚合物微球，微球的尺寸為60到800納米，在乳液中的質(zhì)量含量為3-15％。
2.基片用98％濃硫酸與30％過氧化氫的混合溶液處理15分鐘到24小時(shí)，兩種溶液的用量體積比例通常是2∶8到4∶6，經(jīng)過去離子水漂洗后在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障赂稍?。將處理過的兩塊基片相互靠近后(兩塊基片之間的距離為0.05-1毫米)垂直放入含有1-5毫升質(zhì)量百分濃度為0.5--3％單分散交聯(lián)聚合物微球乳液(低微球濃度用蒸餾水進(jìn)行稀釋得到)的容器中，然后在4℃-75℃下?lián)]發(fā)，6小時(shí)-96小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體。
上述方法中，用垂直雙基片法在兩個(gè)基片間形成三維有序的膠體晶體。膠體晶體主要由60納米到800納米的單分散聚合物微球或二氧化硅微球制成。
上述方法中，垂直雙基片法中的兩個(gè)基片一般是玻璃片，硅片，石英片，聚二甲基硅氧烷基片，或者是其中兩種基片的組合。
上述方法中，表面具有有序圖案的三維有序的膠體晶體的制備一般用圖案化的聚二甲基硅氧烷基片和另外的基片(玻璃片，硅片，石英片)組合得到。
上述方法中，以聚二甲基硅氧烷為基材的基片可以被制備成表面具有不同尺寸和形狀圖案的基片，從而可以得到表面具有不同圖案的三維有序膠體晶體。將二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按20∶1到5∶1(質(zhì)量比)的比例混合均勻，真空脫氣后灌進(jìn)由兩塊硅片或硅片和表面圖案化的光刻膠板組成的模具中，40℃到80℃固化8～10小時(shí)。冷卻后將固化好的聚合物膜從硅片或光刻膠板上小心地揭下，從而得到表面平整的或表面圖案化的聚二甲基硅氧烷基片，通?；暮穸葹?0微米到1.5毫米。表面圖案化的光刻膠板可以利用不同尺寸和形狀的光掩板，通過光刻技術(shù)將光掩板上的圖案復(fù)制到光刻膠板上，得到表面圖案化的光刻膠板。(Y.N.Xia，E.Kim，X.M.Zhao，J.A.Rogers，M.Prentiss，G.M.Whitesides，Science1996，273，347.Y.N.Xia，G.M.Whitesides，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1998，37，550.)。
上述方法中，將處理過的兩塊基片相互靠近放置，距離為0.05--1毫米，垂直放入1毫升微球質(zhì)量濃度為0.5--3％的二氧化硅微球乳液中(二氧化硅微球的制備方法參見W.Stber，A.Fink，J.ColloidInterface Sci.1968，26，62)，然后在4-75℃下?lián)]發(fā)6-96小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由二氧化硅微球組成的三維有序膠體晶體。
上述方法中，垂直雙基片法中的兩個(gè)基片還可以是非平面的或管狀的，比如把纖維棒插入做成管形的基片中，然后放入含有聚合物微球或二氧化硅微球的乳液中，形成膠體晶體。管形基片可以是玻璃或石英，也可以是聚合物，他們的直徑可以在1微米到1毫米范圍內(nèi)可變。
在本發(fā)明中，利用簡單有效的垂直雙基片法在兩個(gè)基片之間制備的三維有序的膠體晶體以及表面具有有序圖案的膠體晶體，由不同粒徑納米微球制備的膠體晶體具有不同的紫外吸收峰，通過多層膠體晶體的疊加，可以形成具有多個(gè)紫外吸收峰的組合膠體晶體；進(jìn)一步，通過對組合膠體晶體中某一層膠體晶體平面方向的旋轉(zhuǎn)，可以使組合膠體晶體的相對應(yīng)的紫外吸收峰位置發(fā)生變化，從而可以使本發(fā)明所述的膠體晶體廣泛地應(yīng)用于三維有序多孔材料和光子晶體的制備以及光開關(guān)或光過濾器等方面。


圖1垂直雙基片制備自組裝膠體晶體示意圖；圖2(a)表面為微米級寬直線溝槽排列的三維有序膠體晶體示意圖；圖2(b)圖2(a)示意圖其局部放大圖；圖3纖維和玻璃或聚合物管內(nèi)壁之間的膠體晶體掃描電鏡圖；圖4用188納米的聚合物微球組成三維有序膠體晶體的紫外吸收圖；圖5用220納米聚合物微球組成三維有序膠體晶體的紫外吸收圖；圖6用238納米的聚合物微球組成三維有序膠體晶體的紫外吸收圖；圖7用270納米的聚合物微球組成三維有序膠體晶體的紫外吸收圖；圖8分別用188納米，220納米聚合物微球組成三維有序膠體晶體組合的紫外吸收圖；
圖9分別用188納米，220納米和238納米聚合物微球組成三維有序膠體晶體組合的紫外吸收圖；圖10分別用188納米，220納米和238納米聚合物微球組成三維有序膠體晶體組合的紫外吸收圖，其中220納米三維有序膠體晶體的兩片轉(zhuǎn)動(dòng)20度；圖11圖9所對應(yīng)的膠體晶體的疊加示意圖；圖12圖10所對應(yīng)的膠體晶體的疊加示意圖，其中間層的膠體晶體平面相對于疊加平面旋轉(zhuǎn)20度；圖11為制備的多個(gè)膠體晶體疊加的結(jié)構(gòu)示意圖(對應(yīng)實(shí)施例13)1，2，3是石英片；4是188納米微球形成的三維膠體晶體；5是220納米微球形成的三維膠體晶體；6是238納米微球形成的三維膠體晶體。
圖12為制備的多個(gè)膠體晶體疊加的結(jié)構(gòu)示意圖(對應(yīng)實(shí)施例14)1，2，3是石英片；4是188納米微球形成的三維膠體晶體；5是220納米微球形成的三維膠體晶體；6是238納米微球形成的三維膠體晶體。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，而不是要以此對本發(fā)明進(jìn)行限制。
實(shí)施例1在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以100毫升的蒸餾水為分散介質(zhì)，將10克苯乙烯，0.5克的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷，1.2克的(甲基)丙烯酸和0.08克過硫酸鉀或過硫酸銨，0.24克的碳酸氫鈉，加入裝有機(jī)械攪拌器和回流冷凝管的反應(yīng)器中，機(jī)械攪拌速度在300轉(zhuǎn)/分。在70℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液聚合反應(yīng)，此處不需加入任何的表面活性劑和分散劑，反應(yīng)24小時(shí)后得到穩(wěn)定乳白色單分散交聯(lián)聚苯乙烯微球的乳液，微球的直徑為220納米，聚苯乙烯微球的乳液固含量為5.0％(質(zhì)量百分比)。
玻璃片和石英片用體積比為3∶7的98％濃硫酸與30％過氧化氫的混合溶液處理，經(jīng)過去離子水漂洗后在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障赂稍铩⑻幚磉^的兩塊基片(玻璃片，石英片)相互靠近后(兩塊基片之間的距離為0.05毫米)垂直放入含有1毫升，聚合物微球的濃度為2％(質(zhì)量百分比)的單分散交聯(lián)聚合物微球的乳液的容器中，然后在40℃下?lián)]發(fā)，12小時(shí)后便可得到在兩塊基片中間由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序的膠體晶體。其工藝路線如附圖1所示。
實(shí)施例2
1.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和基片(玻璃片，硅片，石英片)處理如實(shí)施例1所述。
2.聚二甲基硅氧烷基片的制備，將二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按10∶1(質(zhì)量比，)比例混合均勻，真空脫氣后灌進(jìn)硅片模具中，60℃固化10h。冷卻后將固化好聚合物膜從硅片上小心地揭下，得到表面平整的聚二甲基硅氧烷基片，基片的厚度為1.0毫米。
3.聚二甲基硅氧烷基片分別用氯仿和無水乙醇進(jìn)行超聲處理1分鐘后，經(jīng)過無水乙醇漂洗后在氮?dú)獯蹈伞⒁粔K處理過的基片(玻璃片、硅片、或石英片)和一塊聚二甲基硅氧烷基片靠近后(兩塊基片之間的距離為0.1毫米)垂直放入含有1毫升，聚合物微球的濃度為3％(質(zhì)量百分比)的單分散交聯(lián)聚合物微球的乳液的容器中，然后在40℃下?lián)]發(fā)，12小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序的膠體晶體。除去聚二甲基硅氧烷基片，在玻璃片，硅片或石英片的基片上可得到表面平整的三維有序膠體晶體。
實(shí)施例31.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和基片處理如實(shí)施例1所述。
2.表面的圖案為微米級直徑圓臺四方排列的聚二甲基硅氧烷基片制備，將二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按10∶1(質(zhì)量比)比例混合均勻，脫氣后，灌進(jìn)有表面圖案為微米級直徑圓臺四方排列光刻膠板模具中，60℃固化9h。冷卻后將固化好聚合物膜從光刻膠板上小心地揭下，切掉四邊無圖案區(qū)域，得到表面圖案皆為具有微米級直徑圓臺四方排列聚二甲基硅氧烷基片，圓臺的高度為1.0微米。
3.將表面圖案為微米級直徑圓臺四方排列的聚二甲基硅氧烷基片分別用氯仿和無水乙醇進(jìn)行處理后，再將一塊處理過的基片(玻璃片，硅片，石英片)和一塊表面有微米級直徑圓臺四方排列圖案的聚二甲基硅氧烷基片靠近后(兩塊基片之間的距離為0.05毫米)垂直放入含有1毫升，聚合物微球的濃度為1％(質(zhì)量百分比)的單分散交聯(lián)聚合物微球的乳液的容器中，然后在40℃下?lián)]發(fā)，12小時(shí)后便可得到在兩塊基片中間由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序的膠體晶體除去聚二甲基硅氧烷基片，在玻璃片，硅片或石英片的基片上可得到表面為微米級孔圖案的三維有序的膠體晶體。
實(shí)施例41.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和基片處理如實(shí)施例1所述。
2.表面的圖案為微米級寬直線溝槽排列的聚二甲基硅氧烷基片的制備，將二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按10∶1(質(zhì)量比)比例混合均勻，脫氣后，灌進(jìn)表面圖案為微米級寬的直線溝槽排列的光刻膠板模具中，60℃固化8～10h。冷卻后將固化好聚合物膜從光刻膠板上小心地揭下，切掉四邊無圖案區(qū)域，得到表面的圖案皆為微米級寬直線溝槽排列的聚二甲基硅氧烷基片，槽的寬度為8微米，深度為1.2微米。
3.將表面的圖案為微米級寬的直線溝槽排列的聚二甲基硅氧烷基片用氯仿和無水乙醇處理后，再將一塊處理過的基片(玻璃片，硅片，石英片)和一塊表面有微米級寬的直線溝槽排列圖案的聚二甲基硅氧烷基片靠近后(兩塊基片之間的距離為0.1毫米)垂直放入含有1.0毫升，聚合物微球的濃度為1％(質(zhì)量百分比)且微球直徑為238納米的聚合物微球的乳液的容器中，然后在40℃下?lián)]發(fā)，12小時(shí)后便可得到在兩塊基片中間由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體。除去聚二甲基硅氧烷基片，在玻璃片，硅片或石英片的基片上可得到表面為微米級寬直線溝槽排列的三維有序膠體晶體，如附圖2(a)及圖2(b)所示。
實(shí)施例51.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和基片處理以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。
2.調(diào)節(jié)兩塊基片之間的距離為0.5毫米，把處理過的兩塊垂直放入含有2毫升，聚合物微球的濃度為3％(質(zhì)量百分比)的單分散交聯(lián)聚合物微球的乳液容器中，然后在60℃下?lián)]發(fā)，8小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體。相比實(shí)施例1中膠體晶體，厚度有明顯增加，但有序性沒有變化，這樣可以得到較厚的三維有序膠體晶體。
實(shí)施例61.單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和基片處理如實(shí)施例1所述。
2.把直徑為180微米的玻璃纖維棒插入內(nèi)徑為600微米的玻璃或聚合物管中，然后垂直放入含有2毫升，聚合物微球的濃度為3％(質(zhì)量百分比)的單分散交聯(lián)聚合物微球的乳液容器中，在25℃下?lián)]發(fā)，48小時(shí)后便可在纖維和玻璃或聚合物管內(nèi)壁之間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體，如附圖3所示。
實(shí)施例7利用沉淀法制備的二氧化硅微球，利用離心，再分散和滲析等方法純化。制備的二氧化硅微球的直徑在100納米到1微米，濃度為2.0％到10％(質(zhì)量百分比)?；奶幚砗腿S膠體晶體制備過程如實(shí)施例1到實(shí)施例6所述。把處理過的兩塊基片(兩塊基片之間的距離為0.1毫米)垂直放入含有1毫升，濃度為2％(質(zhì)量百分比)微球直徑為400納米的單分散二氧化硅微球乳液的容器中，然后在40℃下?lián)]發(fā)，12小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散二氧化硅微球組成具有不同表面結(jié)構(gòu)的三維有序膠體晶體。
實(shí)施例8單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。188納米的聚合物微球如實(shí)施例1所述制備，其具體工藝參數(shù)為在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以100毫升的蒸餾水為分散介質(zhì)，將9.0克苯乙烯，0.5克的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷，1.0克的(甲基)丙烯酸和0.08克過硫酸鉀或過硫酸銨，0.20克的碳酸氫鈉，機(jī)械攪拌速度在300轉(zhuǎn)/分。在70℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液聚合反應(yīng)24小時(shí)。再利用188納米的聚合物微球作為構(gòu)筑單元來制備三維有序膠體晶體，由于三維有序膠體晶體的布拉格衍射(Xia，Y.N.；Gates，B.；Yin，Y.D.；Lu，Y.Adv.Mater.2000，12，693-713)，在420納米處有明顯的紫外吸收峰，如附圖4所示。這樣制備的三維有序膠體晶體就具有較好穩(wěn)定性，比如可以重復(fù)填充水溶液和有機(jī)溶液，然后再干燥，膠體晶體的三維有序結(jié)構(gòu)保持不被破壞，為膠體晶體的進(jìn)一步應(yīng)用提供了穩(wěn)定的體系。同時(shí)它們也可以直接用于過濾420納米器件或在420納米處的光開關(guān)器件的制備。
實(shí)施例9單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。220納米的聚合物微球如實(shí)施例1所述制備，再利用220納米的聚合物微球作為構(gòu)筑單元來制備三維有序膠體晶體，由于三維有序膠體晶體的布拉格衍射在516納米處有明顯的紫外吸收峰，如附圖5所示。這樣制備的三維有序膠體晶體就具有較好穩(wěn)定性，比如可以重復(fù)填充水溶液和有機(jī)溶液，然后再干燥的過程，膠體晶體的三維有序結(jié)構(gòu)保持不被破壞，為膠體晶體的進(jìn)一步應(yīng)用提供了穩(wěn)定的體系。同時(shí)它們可以直接用于過濾516納米器件或在516納米處的光開關(guān)器件的制備。
實(shí)施例10單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。238納米的聚合物微球如實(shí)施例1所述制備，其具體工藝參數(shù)為在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以100毫升的蒸餾水為分散介質(zhì)，將9.0克苯乙烯，0.6克的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷，1.2克的(甲基)丙烯酸和0.08克過硫酸鉀或過硫酸銨，0.24克的碳酸氫鈉，機(jī)械攪拌速度在300轉(zhuǎn)/分，在70℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液聚合反應(yīng)24小時(shí)。再利用238納米的聚合物微球作為構(gòu)筑單元來制備三維有序膠體晶體，由于三維有序膠體晶體的布拉格衍射，在550納米處有明顯的紫外吸收峰(附圖六)。這樣制備的三維有序膠體晶體就具有較好穩(wěn)定性，比如可以重復(fù)填充水溶液和有機(jī)溶液，然后再干燥的過程，膠體晶體的三維有序結(jié)構(gòu)保持不被破壞，為膠體晶體的進(jìn)一步應(yīng)用提供了穩(wěn)定的體系。同時(shí)它們可以直接用于過濾550納米器件或在550納米處的光開關(guān)器件的制備。
實(shí)施例11單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。270納米的聚合物微球如實(shí)施例1所述制備，其具體工藝參數(shù)為在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以100毫升的蒸餾水為分散介質(zhì)，將12克苯乙烯，0.6克的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷，0.8克的(甲基)丙烯酸和0.09克過硫酸鉀或過硫酸銨，0.20克的碳酸氫鈉，機(jī)械攪拌速度在300轉(zhuǎn)/分，在70℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液聚合反應(yīng)24小時(shí)。再利用270納米的聚合物微球作為構(gòu)筑單元來制備三維有序膠體晶體，由于三維有序膠體晶體的布拉格衍射，在629納米處有明顯的紫外吸收峰(附圖七)。這樣制備的三維有序膠體晶體就具有較好穩(wěn)定性，比如可以重復(fù)填充水溶液和有機(jī)溶液，然后再干燥的過程，膠體晶體的三維有序結(jié)構(gòu)保持不被破壞，為膠體晶體的進(jìn)一步應(yīng)用提供了穩(wěn)定的體系。同時(shí)它們可以直接用于過濾629納米器件或在629納米處的光開關(guān)器件的制備。
實(shí)施例12單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。分別用188納米和238納米的聚合物微球來制備三維有序膠體晶體，膠體晶體兩端的基片選擇同種類基片。然后把基片和它們之間的三維有序膠體晶體組成的188納米和238納米兩個(gè)膠體晶體體系疊加在一起形成組合膠體晶體。組合的膠體晶體在418納米和550納米處分別有明顯的紫外吸收峰，如附圖8所示。這樣的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可以直接用于同時(shí)過濾418納米和550納米的光過濾器件或同時(shí)在418納米和550納米處有光開關(guān)性質(zhì)器件的制備。
實(shí)施例13單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。分別用188納米，220納米和238納米的聚合物微球來制備三維有序膠體晶體，膠體晶體兩端的基片選擇同種類基片。然后把基片和它們之間的三維有序膠體晶體組成的188納米、220納米和238納米三個(gè)膠體晶體體系疊加在一起形成組合膠體晶體，如附圖11所示。組合的膠體晶體在418納米、516納米和550納米處分別有明顯的紫外吸收峰，如附圖9所示。這樣的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可以直接用于同時(shí)過濾418納米、516納米和550納米的器件或同時(shí)在418納米，516納米和550納米處有光開關(guān)性質(zhì)器件的制備。
實(shí)施例14單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和石英或玻璃基片處理，以及膠體晶體制備如實(shí)施例1所述。分別用188納米，220納米和238納米的聚合物微球來制備三維有序膠體晶體，膠體晶體兩端的基片選擇同種類基片。然后把基片和它們之間的三維有序膠體晶體組成的188納米、220納米和238納米三個(gè)膠體晶體體系疊加在一起形成組合膠體晶體，同時(shí)把由220納米聚合物微球組成的三維有序膠體晶體的兩基片沿組合平面轉(zhuǎn)動(dòng)20度，如附圖12所示。這個(gè)系統(tǒng)在418納米、480納米和550納米處分別有明顯的紫外吸收峰，如附圖10所示。這樣的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可以直接用于同時(shí)過濾418納米、480納米和550納米的器件或同時(shí)在418納米、480納米和550納米處有光開關(guān)性質(zhì)器件的制備。同時(shí)我們可以調(diào)節(jié)不同的組合層數(shù)和角度，可以得到不同紫外吸收性質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)，特別是可以得到在某一波段范圍內(nèi)的對光進(jìn)行進(jìn)調(diào)控的器件，在光過濾器和光開關(guān)的方面有重要意義。
權(quán)利要求
1.垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，包括單分散交聯(lián)聚合物微球的制備和垂直雙基片間膠體晶體的制備兩個(gè)步驟，其特征在于(1)以水為分散介質(zhì)，在每100ml水中加入5-20克的苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯單體，并且加入單體質(zhì)量0-20％的(甲基)丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羥乙酯、4-苯乙烯磺酸鈉或乙烯芐基三甲基胺鹽酸鹽功能單體，0-20％的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷或二乙烯基苯作為交聯(lián)劑，0.1-2％的過硫酸鉀、過硫酸銨或2，2’-二(2-甲基丙脒)二鹽酸鹽來引發(fā)聚合，0-5％的碳酸氫鈉作為緩沖劑，一般的機(jī)械攪拌速度在100-400轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，在60-85℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液共聚合反應(yīng)，20小時(shí)后制得表面功能化的單分散交聯(lián)聚合物微球，微球的尺寸為60到800納米，在乳液中的質(zhì)量百分含量為3-15％；(2)將處理過的兩塊基片相互靠近放置，距離為0.05--1毫米，垂直放入1-5毫升、微球質(zhì)量濃度為0.5--3％的單分散交聯(lián)聚合物微球乳液中，然后在4-75℃下?lián)]發(fā)6-96小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于將處理過的兩塊基片相互靠近放置，距離為0.05--1毫米，垂直放入1-5毫升、微球質(zhì)量濃度為0.5--3％的二氧化硅微球乳液中，然后在4-75℃下?lián)]發(fā)6-96小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由二氧化硅微球組成的三維有序膠體晶體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于兩個(gè)基片一般是玻璃片、硅片、石英片、聚二甲基硅氧烷基片，或者是其中兩種基片的組合，基片可以做成平面、非平面或管狀的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于基片用98％濃硫酸與30％過氧化氫的混合溶液處理15分鐘到24小時(shí)，兩種溶液的用量體積比為2∶8-4∶6，經(jīng)過去離子水漂洗后在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障赂稍铩?br> 5.如權(quán)利要求1或2所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于雙基片中的一個(gè)基片用表面具有圖案的聚二甲基硅氧烷基片還可以制備出表面圖案化的自組裝膠體晶體。
6.如權(quán)利要求1或2所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于制備的多個(gè)膠體晶體可以疊加在一起，從而得到具有多個(gè)紫外吸收峰的組合膠體晶體。
7.如權(quán)利要求6所述的垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，其特征在于組合膠體晶體中某一組基片間膠體晶體相對疊加平面旋轉(zhuǎn)某一角度可以實(shí)現(xiàn)紫外吸收峰位置的改變。
8.由權(quán)利要求1或2所述方法制備的自組裝膠體晶體在用作三維有序多孔材料、光子晶體、納米過濾器件和納米光開關(guān)器件方面的應(yīng)用。
9.由權(quán)利要求6所述方法制備的自組裝膠體晶體在用作三維有序多孔材料、光子晶體、納米過濾器件和納米光開關(guān)器件方面的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求7所述方法制備的自組裝膠體晶體在用作三維有序多孔材料、光子晶體、納米過濾器件和納米光開關(guān)器件方面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及用垂直雙基片制備自組裝膠體晶體的方法，包括聚合物微球和垂直雙基片間膠體晶體制備兩個(gè)步驟。在苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯單體的水溶液中加入功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、緩沖劑等，在100－400轉(zhuǎn)/分速度攪拌下在60－85℃的水浴中進(jìn)行無皂乳液共聚合反應(yīng)，20小時(shí)后制得表面功能化的單分散交聯(lián)聚合物微球，微球的尺寸為60到800納米。將處理過的基片相互靠近放入1－5毫升、微球質(zhì)量濃度為0.5－3％的單分散交聯(lián)聚合物微球乳液中，在4－75℃下?lián)]發(fā)6－96小時(shí)后便可在兩塊基片中間得到由單分散交聯(lián)聚合物微球組成的三維有序膠體晶體。得到的膠體晶體在納米過濾器件和納米光開關(guān)器件等具有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號G02B5/22GK1483861SQ03127619
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月5日
發(fā)明者陳鑫, 楊柏, 陳志民, 陸廣, 陳 鑫 申請人:吉林大學(xué)