[发明专利]胶体光子晶体自组装制备及其提高机械稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种以液滴为模板通过胶体自组装制备三维胶体光子晶体及提高三维胶体光子晶体机械稳定性方法。

背景技术

胶体晶体是由单分散的微米或亚微米无机或有机颗粒(也称胶体粒子)形成的具有三维有序结构的一类物质。由于胶体粒子的长程有序排列使胶体光子晶体产生了光子带隙，所以也称其为胶体光子晶体。胶体光子晶体的三维有序结构，其重复周期在微米、亚微米量级，可见光(400～700nm)可在其中发生布拉格衍射(Bragg diffraction)。胶体粒子的长程有序排列使胶体光子晶体产生了诸如光衍射和光带隙、最大堆积密度、高表面—体积比等极具应用价值的特性。由于胶体光子晶体的衍射光学特性，使其作为一类光子晶体在滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感等方面具有重要的应用前景。此外胶体光子晶体可以作为模板制备具有完全光子带隙的有序多孔结构，这种有规则排列的介观多孔材料在催化、吸附和分离等方面也具有重要的应用价值。目前胶体光子晶体的制备主要通过胶体粒子自组装的方法，例如：胶体粒子沉降自组装，利用胶体粒子的沉降作用组装在容器的底部；空间限制胶体粒子自组装，利用空间限制使胶体粒子自组装在两个平面之间的空隙内；静电作用胶体粒子自组装，利用静电作用将胶体粒子组装在容器内；毛细作用胶体粒子自组装，利用毛细管作用力使胶体粒子组装在基片的表面等。但是，这些方法制备的三维胶体光子晶体基本上都是膜结构。在实际应用过程中，有两个主要原因限制了三维胶体光子晶体膜的应用。第一，一些应用例如生物分子载体偏好球形形状，一些各向异性光学器件需要环形形状等，薄膜形状的胶体光子晶体膜不能满足要求。第二，通过胶体粒子自组装方法制备胶体晶体必须有固相模板或者基片支撑，胶体晶体脱离了基片或者模板难以自支撑或者保持原形，而且得到的胶体晶体由于内部依靠胶体粒子之间的范德华力联结在一起，所以其机械稳定性有限，在脱离模板自支撑的状态下，极容易在晶体缺陷处或者在外力作用下损坏。因此，胶体晶体应用范围的扩大需要新的制备以及提高稳定性的方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种胶体光子晶体自组装制备及其提高机械稳定性的方法，利用该方法可以制备球形胶体光子晶体，而且胶体光子晶体的机械稳定性高，满足实际操作与应用的要求。

技术方案：本发明的胶体光子晶体自组装制备方法将胶体粒子溶液分散到连续相中形成胶体溶液液滴，通过液滴中溶剂的蒸发其中的胶体粒子以液滴为模板自组装成为胶体光子晶体，通过加热处理使晶体内胶体粒子相互粘接来大大提高光子晶体的机械稳定性。

所述的胶体粒子是单分散的二氧化硅粒子、氧化锌粒子、金粒子、二氧化钛粒子中的一种；或是单分散聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子、聚吡咯粒子、聚苯胺粒子中的一种；或是单分散核壳结构的金包二氧化硅粒子、聚苯乙烯包二氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅粒子中的一种。所述的胶体粒子溶液为分散相，分散到连续相中形成胶体粒子溶液液滴，分散方法采用均质法、或超声法、或液滴发生器法。所述的以液滴为模板自组装成的胶体光子晶体为球形、或为椭球形、或为圆环形。

提高自组装制备胶体光子晶体机械稳定性方法为：所述的胶体晶体的机械稳定性通过加热处理使胶体粒子之间形成粘接而提高；对于二氧化硅粒子组装的胶体晶体微球，加热处理温度为700℃-1100℃；对于聚苯乙烯粒子、聚吡咯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子组装的胶体晶体微球，加热处理温度为100℃～130℃；对于聚酰胺粒子组装的胶体晶体微球，加热处理温度为200℃～400℃；对于二氧化钛粒子组装的胶体晶体微球，加热处理温度为1500℃～2000℃；对于金纳米粒子组装的胶体晶体微球，加热处理的温度为300℃～1000℃；对于氧化锌粒子组装的胶体晶体微球，加热处理的温度为1800℃～2500℃；对于金包二氧化硅粒子组装的胶体晶体微球，加热处理的温度为300℃～1000℃；对于聚苯乙烯包二氧化硅粒子、聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅粒子组装的胶体晶体微球，加热处理的温度为100℃～150℃；对于聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯粒子组装的胶体晶体微球，加热处理的温度为100℃～130℃。所用的加热处理方法，使用烘箱、马弗炉，或在加热过程中施加氮气保护。

有益效果：

1.以液滴为模板进行胶体粒子的自组装得到的胶体晶体为自支撑结构，胶体晶体与模板之间为软连接，洗去胶体晶体表面的连续相溶液就可以使胶体晶体与模板脱离，简单易行。