第11期 高分子学报 No II 2017年11月 ACTA POLY MERICA SINICA Nov,2017 综述 微凝胶胶体晶体研究进展 关英张拥军 (南开大学化学学院天津300071) 摘要Poly(N- isopropy acrylamide)( PNIPAM)微凝胶粒子是一种软的胶体粒子.和单分散的SiO2、PS PMMA等硬的胶体粒子一样,单分散的 PNIPAM微凝胶粒子也可以自组装成为高度有序的胶体晶体.微凝胶 粒子软物质的特性及其对外部刺激的响应性赋予其不同于硬球的组装行为微凝胶胶体晶体的高度有序结 构及其刺激响应性使其在诸多领域有重要用途.本文分别介绍了三维及二维微凝胶胶体晶体组装的研究进 展,并对已开发的基于微凝胶胶体晶体的应用进行了总结 关键词微凝胶,胶体晶体,刺激响应,自组装 胶体晶体( colloidal crystals,CC)是单分散胶一种潜在的光子晶体( photonic crystal)y.光子晶 体粒子自组装形成的高度有序结构4.在普通体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人 晶体中,原子或分子在空间按一定规律周期重复工微结构当电磁波在光子晶体中传播时,由 地排列.类似地,在胶体晶体中胶体粒子在空间于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成 按一定规律周期重复地排列.由于其高度有序的能带结构.能带与能带之间岀现带隙,即光子带 结构,胶体晶体在光学、显示、传感、模板制备隙。当光子能量处在光子带隙内时,光子将不能 等高技术领域都有着重要的用途 在晶体中传播.因此利用光子晶体有望实现对光 胶体晶体的魅力首先来自其美丽的颜色.由子的操纵和控制.胶体晶体正是这样的周期性结 于其高度有序的结构,胶体晶体能反射特定波长构.与其他的制备光子晶体的方法相比,通过组 的光,因而呈现美丽的颜色.与染料分子不同,装胶体晶体制备光子晶体的方法更简便,不需特 组成胶体晶体的胶体粒子本身并不含有生色团.殊设备,且有望大面积制备門 其色彩来源于其高度有序的结构,因此被称为结 胶体晶体还作为模板被广泛用于制备各种 构色.例如天然宝石蛋白石(opal)就是由单分散纳微有序结构此外由于其与原子晶体的相似 二氧化硅小球组成的高度有序结构,因此呈现各性,胶体晶体常常被用来作为原子晶体的模型研 种美丽的颜色的一些生物也因类似的结构而呈究聚集态领域的一些基本的物理过程10.组装大 现美丽的颜色阿例如对澳大利亚的一种象鼻虫尺度、缺陷少的胶体晶体是这些应用的基础.在 体表鳞片的SEM研究显示,这些鳞片内部存在由过去的数十年里人们在此方面进行了大量研究 透明的直径250m的单分散球形颗粒堆积而成已发展多种方法进行胶体晶体的组装,但迄今为 的六方密堆积有序结构正是这种结构的存止,组装大尺度、缺陷少的胶体晶体仍非易事 在,使得这种甲虫呈现特殊的金属光泽.胶体晶 胶体晶体通常由SiO2、PS或PMMA等硬的胶 体的结构色具有高亮度、高饱和度、永不退色等体粒子自组装而成.实际上,软的胶体粒子,如 特点,是普通颜料或色素所不具备的,因此在装poly(N- isopropylacrylamide)( PNIPAM)微凝胶小 饰、显示等领域有重要用途 球,也能自组装成为胶体晶体.微凝胶是直径在 更重要的是胶体晶体对光的调控使其成为几十纳米至几千纳米的水凝胶小球-l与SO2 特约综述:2017-06-29收稿,2017-09-06修稿:国家自然科学基金(基金号21374048,51625302)资助项目 通讯联系人,E-mal: yongjunzhang @nankai.edu doi:10.11777issn1000-3304.201717169 1739第 11 期 高 分 子 学 报 No. 11 2017 年 11 月 ACTA POLYMERICA SINICA Nov., 2017 1739 微凝胶胶体晶体研究进展* 关 英 张拥军** (南开大学化学学院 天津 300071) 摘 要 Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) 微凝胶粒子是一种软的胶体粒子. 和单分散的SiO2、PS、 PMMA等硬的胶体粒子一样，单分散的PNIPAM微凝胶粒子也可以自组装成为高度有序的胶体晶体. 微凝胶 粒子软物质的特性及其对外部刺激的响应性赋予其不同于硬球的组装行为. 微凝胶胶体晶体的高度有序结 构及其刺激响应性使其在诸多领域有重要用途. 本文分别介绍了三维及二维微凝胶胶体晶体组装的研究进 展，并对已开发的基于微凝胶胶体晶体的应用进行了总结. 关键词 微凝胶，胶体晶体，刺激响应，自组装 * 特约综述；2017-06-29收稿，2017-09-06修稿；国家自然科学基金(基金号 21374048, 51625302)资助项目. ** 通讯联系人，E-mail: yongjunzhang@nankai.edu.cn doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2017.17169 胶体晶体(colloidal crystals，CC)是单分散胶 体粒子自组装形成的高度有序结构[1~4]. 在普通 晶体中，原子或分子在空间按一定规律周期重复 地排列. 类似地，在胶体晶体中胶体粒子在空间 按一定规律周期重复地排列. 由于其高度有序的 结构，胶体晶体在光学、显示、传感、模板制备 等高技术领域都有着重要的用途. 胶体晶体的魅力首先来自其美丽的颜色. 由 于其高度有序的结构，胶体晶体能反射特定波长 的光，因而呈现美丽的颜色. 与染料分子不同, 组成胶体晶体的胶体粒子本身并不含有生色团. 其色彩来源于其高度有序的结构，因此被称为结 构色. 例如天然宝石蛋白石(opal)就是由单分散 二氧化硅小球组成的高度有序结构，因此呈现各 种美丽的颜色[5]. 一些生物也因类似的结构而呈 现美丽的颜色[6]. 例如对澳大利亚的一种象鼻虫 体表鳞片的SEM研究显示，这些鳞片内部存在由 透明的直径250 nm的单分散球形颗粒堆积而成 的六方密堆积有序结构[7]. 正是这种结构的存 在，使得这种甲虫呈现特殊的金属光泽. 胶体晶 体的结构色具有高亮度、高饱和度、永不退色等 特点，是普通颜料或色素所不具备的，因此在装 饰、显示等领域有重要用途. 更重要的是胶体晶体对光的调控使其成为 一种潜在的光子晶体(photonic crystal)[8]. 光子晶 体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人 工微结构[9]. 当电磁波在光子晶体中传播时，由 于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成 能带结构. 能带与能带之间出现带隙，即光子带 隙. 当光子能量处在光子带隙内时，光子将不能 在晶体中传播. 因此利用光子晶体有望实现对光 子的操纵和控制. 胶体晶体正是这样的周期性结 构. 与其他的制备光子晶体的方法相比，通过组 装胶体晶体制备光子晶体的方法更简便，不需特 殊设备，且有望大面积制备[9]. 胶体晶体还作为模板被广泛用于制备各种 纳微有序结构. 此外由于其与原子晶体的相似 性，胶体晶体常常被用来作为原子晶体的模型研 究聚集态领域的一些基本的物理过程[10]. 组装大 尺度、缺陷少的胶体晶体是这些应用的基础. 在 过去的数十年里人们在此方面进行了大量研究, 已发展多种方法进行胶体晶体的组装，但迄今为 止，组装大尺度、缺陷少的胶体晶体仍非易事. 胶体晶体通常由SiO2、PS或PMMA等硬的胶 体粒子自组装而成. 实际上，软的胶体粒子，如 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)微凝胶小 球，也能自组装成为胶体晶体. 微凝胶是直径在 几十纳米至几千纳米的水凝胶小球[11~13]. 与SiO2 ⋅ 综述 ⋅