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功能表界面材料与分子凝胶

发布人:  发布时间:2017-06-22  点击:[]

1、功能表界面材料创制的科学基础与应用

面向危险化学品检测监测技术的进步,围绕高性能荧光传感薄膜材料创制所需要的新策略、新方法开展工作,力争在薄膜器件化和相关高性能检测仪器研制方面取得突破。具体包括以下几个方面内容:

一是高性能纳米结构型荧光敏感薄膜材料的创制。基于单层化学组装技术,通过改变基质本性、传感元素类型、连接臂长度、柔性、亲水亲油平衡和亚结构等途径,设计、制备针对爆炸物、冰毒、有毒有害溶剂和有关环境特征污染物的高灵敏、高稳定性荧光传感薄膜材料,研究决定材料传感性能的物理化学基础,探索传感薄膜可控制备的有效途径。与此同时,发展新的传感薄膜材料创制策略,特备是要加强对“功能分子设计合成+基质表面可控组装”策略的研究,力争在传感新体系研究中将均相传感与表界面传感相贯通。此外,还要加强均相和表界面环境下的“单分子指纹图谱”研究,为复杂体系选择性传感和单分子阵列器件构建奠定基础。

二是传感薄膜器件化和器件阵列的构建。利用实验室搭建的激发、发射系统在一定范围内任意可调的开放式、组合式荧光薄膜传感性能评价平台,对所创制荧光敏感薄膜的光物理性质、传感特性进行深入系统的研究,以期加深对薄膜结构与性质的关系认识,借此摸索规律、优化条件,获得传感性能更加优异的薄膜材料。在此基础上,研制出稳定性好、结构合理,且可与后续仪器无缝集成的传感薄膜器件和器件阵列,为相关高性能专用和综合检测设备的研制奠定基础。

三是系统集成与便携式、低功耗微弱信号检测装置研制。通过高集成度芯片的选用和表面贴装技术,实现台式荧光光度计控制模块的微型化。在此基础上,通过建立多敏感元信息融合的数学模型,选取恰当的传感器阵列协同和竞争双重特性的识别模式,实现危险化学品检测装置的高灵敏、低功耗和小型化,为后续高密度集成和微型化打下基础。

四是无线传感网络融合关键技术的研究。物联网是当今最具影响力的战略新兴产业,制约物联网发展的关键之一是传感器技术的进步。传感器组网的前提是相关控制和信号发送的远程无线实现。为此,需要研制与上述装置或仪器兼容的无线通信模块,目的在于将仪器与无线传感器网络融合,使其成为整个网络的一个节点。

2分子凝胶、凝胶乳液创制的科学基础与应用

围绕水体中微量油分和有毒有害化学物质的高效分离,低密度高性能有机-无机复合材料的创制,以及基于燃料液体的高能量密度高稳定性燃料的制备,从基于小分子胶凝剂的分子凝胶和凝胶乳液方面开展相关研究工作。具体包括以下几个方面内容:

一是用于溢油处理和水体与空气净化的高效油水分离和高效有毒有害化学物质吸附分离多孔低密度有机块材的制备研究。在已有工作基础上,以小分子胶凝剂为稳定剂,创制以不同可聚合单体为连续相的凝胶乳液,通过调节分散相与连续相的体积比例,改变单体、交联剂的类型,以及变化聚合反应的引发方式,制备性质各异、结构多样的低密度有机多孔材料,研究这些材料的结构,评价其油水分离和吸附分离性能,并将结构与性能关联,借此进一步优化制备工艺,改善材料结构,提高材料性能,为放大制备和工业应用奠定基础。

二是具有特殊用途的高性能低密度有机-无机复合块材的制备研究。以不同策略在上述低密度有机材料制备体系中引入无机氧化物微纳米颗粒,以期得到机械性能显著改善,热稳定性和化学稳定性显著提高的多孔有机-无机复合低密度材料。力争在材料密度不高于0.4 g/cm3时,使材料压碎强度(crush strength)超过8 MPa,在材料密度不高于1.0 g/cm3时,材料压碎强度(crush strength)超过20 MPa,典型复合材料在室温下的导热系数不高于0.01 W/m2·K。

三是高能量密度液体燃料制备研究。立足胶体与表界面化学原理,采用分子凝胶化学技术,通过燃料液体的胶凝化,将高能量密度微纳米金属颗粒或其它高能化合物稳定均匀分散于燃料液体中,以期得到能量密度高,燃烧性能稳定,且燃烧特征与液体燃料相近的新型高能量密度凝胶态液体燃料。

四是开展分子凝胶与传感薄膜的交叉研究。在分子凝胶中,胶凝剂分子以有序聚集方式形成具有纳米结构特点的遍布凝胶体系的网络结构,以恰当方式将此结构转移至固体基质表面,以其担载荧光活性传感元素分子,有望获得响应速度快、信噪比高,可用于气相和水相传感,且兼具单层化学组装膜和物理旋涂膜优势的新型荧光传感薄膜材料。按此策略,系统开展相关的基础和应用研究工作。

3图案化表界面控制制备和溶液有序组装体构筑与应用

一是图案化表界面材料控制制备方法学研究。材料表面图案化是自然界的普遍现象,为材料获得某些特定性能所必须。学习自然,在微纳米尺度,乃至分子水平实现特定图案的可控制备对于发展功能表界面材料具有十分重要的意义。为此,将通过一系列物理、化学和生物技术的结合和创新运用,发展针对不同基质类型的表面图案控制制备新方法,为相关高性能表界面功能材料和器件制备奠定基础。

二是多尺度磷脂囊泡及生物分子表界面自组装的研究与应用。通过外场刺激下的超分子自组装作用,构筑具有多重功能性的类细胞及类细胞聚集体。通过解决制备和使用过程的一系列基础科学问题,开辟利用巨型磷脂囊泡作为人造细胞的基础和应用研究的特色研究领域,重点感兴趣的应用领域包括仿生微反应器和生物矿化中心。通过探索溶菌酶和DNA在溶液相和贵金属表面崭新的超分子自组装行为,研究和开发具有自主知识产权的特色鲜明的生物芯片系统和贵金属表面微纳米制造技术;通过研究和开发新的光化学反应,实现对有机聚合物表面C-H键的高度化学选择性转化,及以此为平台的表面图案化及大分子集成材料制备。

三是超分子组装体荧光传感器的研究与应用。利用分子合成技术,设计制备具有特定结构的荧光分子,将其增溶于表面活性剂胶束、磷脂囊泡等超分子组装体内,利用超分子组装体多元化的物理化学环境对所增溶荧光分子光物理性质的调控作用,构建具有指纹图谱识别能力的荧光化学传感器或阵列。通过解决超分子荧光组装体制备和传感研究中的一系列基本科学问题,深化对超分子组装体与荧光分子相互作用规律的认识,拓展传感器阵列的设计思路,增强荧光传感器的区分识别能力,推进传统胶体界面化学在传感领域的新应用。

四是高度有序纳米荧光传感界面的构建及其生物传感应用。将传统的化学合成技术和超分子组装手段结合创制具有不同结构特点的超分子传感界面,此类界面上的分子浓度远高于本体相且排列高度有序,能提供高效分子识别过程所必须的预组织结构,有利于协同络合具有多个结合位点的底物分子,可高效地将生物分子信息转换成易检测的物理化学信号。通过考察传感界面对生物分子的传感性能和传感机理,揭示传感性能和超分子结构的关系。相信研究与之相关的基本科学问题,必将有助于拓展传感器设计思路,丰富传感器研究内容,提升传感器创制水平,为新型高效传感平台的搭建奠定基础。

五是基于功能双亲纳米颗粒的可控油水界面的构建。功能双亲纳米颗粒在油水界面自组装形成可控界面,此类体系在石油提取、污水处理,微量水分离以及生物医药分离与传输等方面有重要应用。研究工作主要是设计合成以胆固醇、PEO以及两性离子基团等为主要构成单元的双亲单体,然后运用表面合成技术将双亲单体接枝于纳米颗粒表面,从而可以获得表面化学结构可调的功能性双亲纳米颗粒,继而考察它们在多相体系中的界面活性;此类双亲纳米颗粒有望自组装形成胶束、微胶囊等聚集体,从而可应用于复杂多相体系的控制以及生物医药等既定物质的定向传输。已有研究工作表明,此类双亲纳米颗粒在原油破乳脱水应用研究中已经取得了一定的进展。