殷亞東教授Angewandte Chemie：銅納米棒的限域空間制備及光熱驅動

luna1 4年前 (2019-05-17) 5954瀏覽

【前言】

相比于被廣泛研究的金和銀納米材料，銅納米結構也具有表面等離子體共振（SPR）吸收特性，但由于其帶間躍遷與SPR吸收的重疊，使得其SPR吸收峰強度較弱。因此，盡管銅具體相對較高的地球豐度和較低的成本，但其在光學領域應用卻有有限。理論研究表明，如果能夠制備各向異性銅納米結構，則可以實現其強SPR吸收。然而各向異性的銅納米結構的合成異常困難。與Au3+和Ag+相比，Cu2+具有相對較低的還原電位，因而銅納米晶的穩定性比較差。當利用晶種進行納米晶生長時，晶體結構穩定性不高，容易發生氧化、刻蝕以及熟化等復雜且不可控的物理化學變化，最終破壞初始晶種的晶型結構。這種晶體結構的破壞使得產物的結構難以用傳統的納米晶體生長理論來設計和預測，導致制備銅納米結構時效率和產率較低，控制性和重復性差。

【成果簡介】

最近，加州大學河濱分校殷亞東教授領導的科研團隊在國際知名期刊Angewandte Chemie 上發表了題為Space-Confined Seeded Growth of Cu Nanorods with Strong Surface Plasmon Resonance for Photothermal Actuation的文章。在這項工作中，研究團隊先從理論上指出，如果將銅納米結構制成棒狀，可實現媲美于金和銀的納米結構的SPR吸收特性。然后，開發了一種限域空間內的種子生長方法來制備具有均一尺寸且形貌控制的銅納米棒(CuNRs)，并進一步證明了其在近紅外光譜中強的SPR吸收。為了降低傳統合成過程中成核動力學的復雜性，本研究采用了小尺寸的納米金粒子(AuNP)作為種子來誘導銅的各向異性生長，避免了銅的自成核。最后，基于其強SPR吸收和良好的光熱轉換性能，研究團隊進一步展示了合成后的CuNRs在光熱轉換中的高效率和穩定性，并證明了它們可以用于制造納米復合聚合物薄膜，該薄膜對近紅外光具有刺激響應性，可構建光響應驅動器來控制微型機器人的運動。

【圖文導讀】

圖1. 用FDTD模擬納米結構的SPR吸收特性

a) 銅納米球(d = 100 nm)在其共振波長(570 nm)處的電場分布。b) 銅納米棒(250 100 nm)在其共振波長(750 nm)處的電場分布。c) 金、銀、銅納米結構的SPR消光譜。所有納米球的直徑為100 nm，所有納米棒的尺寸都固定為250 100 nm。d) 不同長徑比的CuNRs的SPR消光譜。所有納米棒的直徑都固定在100 nm。

圖2. 中間產物和最終產物的形貌和光學性能表征

  1. a) FeOOH納米棒，b) FeOOH/AuNP@RF納米棒, c) AuNP修飾的RF納米膠囊, d）CuNRs的TEM圖片。e-f) CuNRs的高分辨TEM圖像和選區電子衍射圖。g) FeOOH納米棒在PEI修飾和Au種子負載過程中的zeta電位變化。h) CuNRs的消光光譜。

 

圖3：不同尺寸的CuNRs的形貌表征

a-c)不同尺寸比的TEM圖像和(d)相應的紫外-可見-近紅外光譜。標尺比為100 nm。

 

圖4. 利用TEM觀察聚合物膠囊中CuNRs的生長中間體

  1. a) 10 min, b) 20 min, c) 30 min, d) 40 min時CuNRs的TEM圖片。 e) CuNRs的消光光譜。

 

圖5. CuNRs的光熱轉換特性

  1. a) 近紅外激光(980 nm)照射下，實時測量CuNRs溶液和純水的溫度。b) 近紅外激光照射的CuNRs溶液光熱成像圖片。c) 五次循環后的溶液溫度變化。d) 在激光的照射下CuNRs/PVA膜的形狀記憶特性。e) 近紅外激光觸發復合膜的局域形狀記憶性能。

 

圖6. 基于CuNRs的bimorph的光激發形變特性

  1. a) Bimorph在光照和不光照條件下彎曲角度的變化。b) Bimorph的循環穩定性能。c)利用光控Bimorph的形變模擬機器手實現貨物的搬運。d) 利用光控Bimorph的形變模擬蠕蟲爬坡運動。

【結論】

綜上所述，本研究在理論和實驗上都證明了各向異性銅納米結構可以在近紅外光譜中表現出較強的SPR活性，從而為在實際應用中部分代替較為昂貴的金和銀納米結構提供了可能。通過一種獨特的限域空間內種子生長法的策略，合成出高質量的CuNRs，并對其大小、形貌和SPR吸收波長進行了控制。該方法可通過簡單地控制聚合物納米膠囊的尺寸來精確地操控CuNRs的SPR吸收，從而使它滿足光學應用中的廣泛需求。此外，CuNRs還表現出優異的光熱性能和熱穩定性，進而將其與聚合物進行復合，構建出對光具有刺激響應的微型機器人。

文獻鏈接

Space-Confined Seeded Growth of Cu Nanorods with Strong Surface Plasmon Resonance for Photothermal Actuation

團隊成果

此外，該團隊近年來在貴金屬納米材料合成領域取得了豐富的研究成果，設計限域空間合成貴金屬納米棒和表面等離子體共振耦合，并探討所合成的材料在表面增強拉曼散射、光電催化、太陽能利用、生物分析等領域的應用，相關工作發表在JACS，Angew. Chem., Adv, Mater., Nano Lett., CHEM, Adv. Func. Mater., Chem. Sci.等刊物上。

 

文章鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04157

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02325

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc02997g#!divAbstract

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929417303510

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja502890c

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja209647d

本文由材料人編輯luna編譯供稿，材料牛整理編輯。

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