·940· 北京科技大学学报 第36卷 征，如图2所示 式排列在一起，每个大球被24个小球所包围.尽管 如此，从图3中仍可发现小球排列存在缺陷，在某些 大球的间隙上缺1个小球而只有3个，或者增加1 个小球而变成5个. 2.2粒径比对二元胶粒晶体组装花样的影响 采用垂直沉积法组装一元PS胶粒晶体的研究 报道较多，而采用该方法组装二元胶粒晶体的报道 却鲜见报道.本文首先研究了两种胶体PS粒径比 对组装花样的影响.粒径比y是指大球对小球粒径 后 的比值，如下式所示： 图2二元S胶粒品体样品的宏观图像 y=dlds. (1) Fig.2 Macroscopic pictures of PS binary colloidal crystals 式中，y为粒径比. 1.2.3二元胶粒晶体的表征 粒径比研究中所使用的PS微球的粒径和粒径 比如表1所示.两种微球的质量比p=C/Cs=74: 采用JE0LJSM6390/LV型扫描电子显微镜对 26.大球在悬浮液中的质量分数为C=0.3%.以 二元PS胶粒晶体的微观形貌进行表征，使用DSC- 二次蒸馏水作为分散介质，组装温度T为60℃. TX5型数码相机对二元PS胶粒晶体的宏观形貌进 表1两种S微球的粒径比及粒径 行表征. Table 1 Size ratio and diameter of two kinds of PS microspheres 2结果与讨论 编号 y dL/nm ds/nm 5.73 733 128 2.1二元PS胶粒晶体的微观形貌 4.82 733 152 图3是采用垂直沉积法组装得到的二元PS胶 3.62 733 201 粒晶体的扫描电镜照片.使用的两种PS胶体微球 2.44 733 301 的粒径分别为(733±13)nm和(152±8)nm,粒径 d 比d/d为4.82，d为大球粒径，d为小球粒径.质 图4是不同粒径比下PS二元胶粒晶体的扫描 量比p=C/Cs=74:26,C为大球质量分数，Cs为小 电镜照片，从图4中可以明显看出来：粒径比分别 球质量分数.大球在悬浮液中的质量分数C为 为5.73和4.82时，在PS二元胶粒晶体中两种PS 0.3%.二次蒸馏水和乙二醇的混合溶液作为分散 微球均呈有序排列，其中大球呈现fc心有序排列，小 介质，其中乙二醇的质量分数为6%，组装温度T为 球规整地排列在大球的间隙之中，如图4(a)和(b) 60℃. 所示；而粒径比为3.62和2.44时，二元PS微球组 装体中大小球均为无序排列.由此可见，粒径比对 垂直沉积法组装二元胶粒晶体的组装花样有重要的 影响，这种影响也反映着两种PS微球的组装机制. 为此我们计算了一种临界状况的粒径比，即4个大 球彼此相接触，同时其内部的孔隙中被1个小球所 填充，并与4个大球相切，如图5所示.图5中显示 的是大球呈fcc密堆积的一个最小结构单元.在这 种临界状况下，运用立体几何计算可得到两种球体 图3二元胶粒晶体的扫描电镜图.d1/ds=4.82,d=733 的粒径比y为4.45，本文称之为临界粒径比yc,即 nm,CL/Cs =74:26 yc=4.45. Fig.3 SEM image of PS binary colloidal crystals.dL /ds =4.82,d 从图4中可以看出来，对于图4(a)和(b)两种 =733nm,CL/Cs=74:26 情况下的粒径比y均大于Yc·在这种情况下，4个 从图3中可以看出，两种PS微球均呈有序排 大球的间隙内至少可以填充下1个小球.换言之，1 列，其中大球呈现fcc结构的有序排列.在上述条件 小球无法撑开4个相接触的大球.因此两种PS微 下，大球的间隙被4个小球所填充，且以倒金字塔形 球进行垂直沉积组装时，大球能够不受小球影响地北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 征，如图 2 所示． 图 2 二元 PS 胶粒晶体样品的宏观图像 Fig． 2 Macroscopic pictures of PS binary colloidal crystals 1. 2. 3 二元胶粒晶体的表征 采用 JEOL JSM--6390 /LV 型扫描电子显微镜对 二元 PS 胶粒晶体的微观形貌进行表征，使用 DSC-- TX5 型数码相机对二元 PS 胶粒晶体的宏观形貌进 行表征． 2 结果与讨论 2. 1 二元 PS 胶粒晶体的微观形貌 图 3 是采用垂直沉积法组装得到的二元 PS 胶 粒晶体的扫描电镜照片． 使用的两种 PS 胶体微球 的粒径分别为( 733 ± 13) nm 和( 152 ± 8) nm，粒径 比 dL /dS为 4. 82，dL为大球粒径，dS为小球粒径． 质 量比 φ = CL /CS = 74∶ 26，CL为大球质量分数，CS为小 球质量分数． 大球在悬浮液中的质量分数 CL 为 0. 3% ． 二次蒸馏水和乙二醇的混合溶液作为分散 介质，其中乙二醇的质量分数为 6% ，组装温度 T 为 60 ℃ ． 图 3 二元 PS 胶粒晶体的扫描电镜图． dL /dS = 4. 82，dL = 733 nm，CL /CS = 74∶ 26 Fig． 3 SEM image of PS binary colloidal crystals． dL /dS = 4. 82，dL = 733 nm，CL /CS = 74∶ 26 从图 3 中可以看出，两种 PS 微球均呈有序排 列，其中大球呈现 fcc 结构的有序排列． 在上述条件 下，大球的间隙被 4 个小球所填充，且以倒金字塔形 式排列在一起，每个大球被 24 个小球所包围． 尽管 如此，从图 3 中仍可发现小球排列存在缺陷，在某些 大球的间隙上缺 1 个小球而只有 3 个，或者增加 1 个小球而变成 5 个． 2. 2 粒径比对二元胶粒晶体组装花样的影响 采用垂直沉积法组装一元 PS 胶粒晶体的研究 报道较多，而采用该方法组装二元胶粒晶体的报道 却鲜见报道． 本文首先研究了两种胶体 PS 粒径比 对组装花样的影响． 粒径比 γ 是指大球对小球粒径 的比值，如下式所示: γ = dL /dS ． ( 1) 式中，γ 为粒径比． 粒径比研究中所使用的 PS 微球的粒径和粒径 比如表 1 所示． 两种微球的质量比 φ = CL /CS = 74∶ 26． 大球在悬浮液中的质量分数为 CL = 0. 3% ． 以 二次蒸馏水作为分散介质，组装温度 T 为 60 ℃ ． 表 1 两种 PS 微球的粒径比及粒径 Table 1 Size ratio and diameter of two kinds of PS microspheres 编号 γ dL / nm dS / nm a 5. 73 733 128 b 4. 82 733 152 c 3. 62 733 201 d 2. 44 733 301 图 4 是不同粒径比下 PS 二元胶粒晶体的扫描 电镜照片． 从图 4 中可以明显看出来: 粒径比分别 为 5. 73 和 4. 82 时，在 PS 二元胶粒晶体中两种 PS 微球均呈有序排列，其中大球呈现 fcc 有序排列，小 球规整地排列在大球的间隙之中，如图 4( a) 和( b) 所示; 而粒径比为 3. 62 和 2. 44 时，二元 PS 微球组 装体中大小球均为无序排列． 由此可见，粒径比对 垂直沉积法组装二元胶粒晶体的组装花样有重要的 影响，这种影响也反映着两种 PS 微球的组装机制． 为此我们计算了一种临界状况的粒径比，即 4 个大 球彼此相接触，同时其内部的孔隙中被 1 个小球所 填充，并与 4 个大球相切，如图 5 所示． 图 5 中显示 的是大球呈 fcc 密堆积的一个最小结构单元． 在这 种临界状况下，运用立体几何计算可得到两种球体 的粒径比 γ 为 4. 45，本文称之为临界粒径比 γC，即 γC = 4. 45． 从图 4 中可以看出来，对于图 4( a) 和( b) 两种 情况下的粒径比 γ 均大于 γC ． 在这种情况下，4 个 大球的间隙内至少可以填充下 1 个小球． 换言之，1 小球无法撑开 4 个相接触的大球． 因此两种 PS 微 球进行垂直沉积组装时，大球能够不受小球影响地 · 049 ·