表面活性劑締合體系中單壁碳納米管的分散和組裝.pdf

1、碳納米管自1991年被日本科學(xué)家飯島發(fā)現(xiàn)后，由于其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能引起了人們的廣泛關(guān)注;碳納米管及其復(fù)合材料在納米電子學(xué)、場(chǎng)發(fā)射器件、納米線、傳感器及檢測(cè)器等實(shí)際應(yīng)用方面有著巨大的潛力。但是由于合成的碳納米管因強(qiáng)的管間范德華力而聚集成束，在常見(jiàn)的溶劑中不能對(duì)碳納米管束進(jìn)行有效的解離和分散是實(shí)現(xiàn)碳納米管實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。目前主要的碳納米管分散方法主要分為兩大類:共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾。利用共價(jià)修飾方法分散的碳納米管的電子

2、結(jié)構(gòu)被破壞，因此可能會(huì)改變碳納米管的固有性能;而非共價(jià)修飾的方法可保留碳納米管的固有性質(zhì)，所以是更有優(yōu)越性的分散方法。在已報(bào)道的碳納米管分散劑中，兩親性的表面活性劑或聚合物大分子均是最常用的非共價(jià)碳納米管表面修飾劑。盡管近年來(lái)在碳納米管的分散方面已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績(jī)，但依然沒(méi)有得到徹底解決，使得碳納米管的應(yīng)用受到了極大的制約。比如合成的單壁碳納米管，往往不僅是各種不同管徑碳納米管聚集的管束，而且是金屬性和半導(dǎo)體性單壁碳納米管的混合物。而

3、單壁碳納米管的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)依賴于其電子結(jié)構(gòu)，要求碳管要么是純的金屬性要么是純的半導(dǎo)體性，而且有些應(yīng)用還對(duì)碳管的尺寸有特定要求。不同尺寸和電子類型的單壁碳納米管的混合導(dǎo)致其各方面性能大打折扣，極大地限制了單壁碳納米管的潛在應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)于碳納米管的徹底分散以及對(duì)半導(dǎo)體性和金屬性單壁碳納米管的規(guī)?；x擇性分散都未能實(shí)現(xiàn)，是制約單壁碳納米管實(shí)際應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。另外，利用生物兼容和環(huán)境友好的表面活性劑進(jìn)行碳納米管的分散和選擇性分散，對(duì)促進(jìn)納

4、米管的應(yīng)用也是十分必要的，但這一方面的研究甚少。
　　本論文研究了利用環(huán)境友好性的氨基酸表面活性劑和烷醇酰胺分散單壁碳納米管，并通過(guò)調(diào)控表面活性劑締合體系的結(jié)構(gòu)變化，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)單壁碳納米管束的徹底分散和同步組裝，還發(fā)現(xiàn)了利用表面活性劑締合體系實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體單壁碳納米管選擇性分散的方法。研究表明該碳納米管的分散體系在作為激光可飽和吸收體調(diào)Q方面具有優(yōu)異的性能。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性如下:
　　第一部分:采用生物兼

5、容性的氨基酸類表面活性劑實(shí)現(xiàn)對(duì)單壁碳納米管的可逆分散?？紤]到單壁碳納米管在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)發(fā)一些低毒性、生物兼容性、生物易降解的氨基酸類表面活性劑作為單壁碳納米管優(yōu)良的分散劑非常必要。本文采用兩性的氨基酸表面活性劑椰油酰肌氨酸鈉和椰油酰基甘氨酸鈉，在溫和的超聲作用下，再經(jīng)過(guò)溫和的離心，獲得了穩(wěn)定的良好分散的單壁碳納米管水溶液。研究表明，氨基酸表面活性劑的疏水尾鏈通過(guò)疏水作用吸附到單壁碳納米管的表面上，被吸附的氨基酸表面活性劑分

6、子之間的靜電排斥力克服了碳納米管間的范德華力，因此有效地分散了碳納米管。由于氨基酸表面活性劑是兩性分子，通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH可以調(diào)控單壁碳納米管可逆分散。
　　第二部分:月桂酸二乙醇酰胺(DDA)是一種低毒性且生物易降解的非離子表面活性劑。本部分采用分子模擬和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，研究了DDA在水溶液和油相中的分子自組裝行為和微觀締合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其在水相和油相中均可自組裝形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其締合體系的微觀結(jié)構(gòu)可分別由油連續(xù)和水連續(xù)向雙連續(xù)結(jié)

7、構(gòu)轉(zhuǎn)變，而且其水溶液形成的液晶具有超高導(dǎo)電性，展現(xiàn)了其締合體系作為軟物質(zhì)在高性能材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。月桂酸二乙醇酰胺優(yōu)良的生物兼容性以及軟物質(zhì)液晶材料的易加工性，使該體系在生物傳感器以及藥物分發(fā)設(shè)備方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　第三部分:本部分利用月桂酸二乙醇酰胺劑自組裝締合體系實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管的徹底分散和同步組裝。依據(jù)上一部分的研究結(jié)果，利用月桂酸二乙醇酰胺在溶液中的自組裝特性，區(qū)別于文獻(xiàn)上采用表面活性劑水溶液作為碳納米管分散

8、介質(zhì)的方法，本論文以表面活性劑的正十二烷溶液為初始介質(zhì)分散碳納米管，在溫和的攪拌條件下，通過(guò)滴加水逐步調(diào)整表面活性劑-油-水體系微觀締合結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管的徹底分散和同步組裝。這種基于表面活性劑-油-水締合體系分散和組裝的單壁碳納米管分散液被證明是一種優(yōu)良的激光可飽和吸收體。通過(guò)對(duì)分散機(jī)理的剖析揭示了該體系徹底分散和同步組裝單壁碳納米管的機(jī)制，該方法有可能有助于突破單壁碳納米管在某些應(yīng)用領(lǐng)域的限制。
　　第四部分: