耶魯大學Nature Materials：構建各向異性分子塊分層工程納米結構

一、導讀

生物分子自組裝過程在原子、納米(~1 - 100 nm)、介觀(~100 nm - 1 μm)和宏觀(~1 μm)尺度上的調控使生物系統具有多樣化、復雜而精確的功能。目前，自頂向下加工方法的成功發展促進了介觀尺度上制造宏觀器件成功案例;這種組裝策略為亞納米級原子甚至納米級分層結構的合成提供了可能。現階段雖然已經構建了廣泛的有序納米結構，但將多種類型的有序納米結構集成到具有排列良好和獨立尺寸晶格的單一材料中，仍然是一個充滿挑戰的重大課題之一。

二、 成果掠影

近日，來自耶魯大學的鐘明江教授，復旦大學的李衛華教授聯合賓夕法尼亞大學的Jeremiah A. Johnson研究員，提出了一種分子自組裝策略，以制備具有多相分層形態的納米結構材料。組裝過程中使用的構建塊由含有側鏈的多組分共聚物組成。通過調整接枝嵌段共聚物中的各種結構參數，使組裝結構的組成、形貌和晶格參數在納米尺度和中尺度上具有廣泛的可調性。本工作提出的策略非常先進，可以高效創建復雜的層次結構，并提供了一個方便的合成平臺，適合于制備具有多種精確集成功能的納米材料。相關成果以“Hierarchically engineered nanostructures from compositionally anisotropic molecular building blocks”為題發表在材料領域國際頂級期刊Nature Materials期刊上。

三、核心創新點

提出了一種可預測的分子自組裝策略，以制備具有多種相間分層形態的納米結構材料。

四、數據概覽

圖1 基于GBCP的CAMBB構建分層納米結構; a, CAMBB的自組裝分子結構，類似于高積木。b， (A -alt- B)-b- C型GBCP的合成方案:(PDMS-alt-PLA)-b-PS。@ 2022 Spring Nature

圖2 (A-alt-B)-b- C型 GBCPs構建的分層納米結構；?a， (PDMS_malt-PLA_n)_x-b-(PSr)_y GBCPs的典型SAXS模式和示意圖；從上到下依次為(PDMS₁₄-alt-PLA₁₆)₄₀-b-(PS₂₆)₄₀、(PDMS₁₄-alt-PLA₁₂)₇₆-b-(PS₂₆)₈₀、(PDMS₃₇-alt-PLA₂₀)₃₅-b-(PS₂₆)₄₀和(PDMS₃₇-altPLA₂₀)₂₂-b-(PS₂₆)₃₀。所有樣品在130°C退火10 h后進行測試，然后在80°C退火10 h；b-e，從上到下樣品對應的GBCPs TEM圖像。@ 2022 Spring Nature

圖3 (A-alt-B)-b- C型GBCPs側鏈組成的多樣性和上層結構和下層結構之間的獨立可調性。a，利用各種聚合物側鏈合成(A -alt- b)-b-C GBCPs的方案；b，具有不同側鏈組成的(A-alt-B)-b-C GBCPs和相應的雙親Janus GBCPs的代表性SAXS模式。c，上部結構(粉色區域)和下部結構(灰色區域)的d間距作為整體聚合主鏈度的函數，即x + y。d，溫標解析了(PDMS₁₄-alt-PLA₁₆)₄₀-b-(PS₂₆)₄₀的SAXS剖面和在加熱-冷卻循環過程中亞結構的可逆有序到無序轉變的示意圖。@ 2022 Spring Nature

圖4 CAMBB超越(A-alt-B)-b- c型GBCPs。多塊GBCPs和相應的父級Janus GBCPs的TEM圖像和代表性SAXS模式；a，(A-alt-B) - b - (C-alt-D)，從上到下依次為，(PDMS₃₇-altPLA₂₀)₄₅-b-(PS₂₇-alt-PtBA₁₉)₁₅， (PDMS₃₇-alt-PLA₂₀)₄₅和(PS₂₇-alt-PtBA₁₉)₃₀；b，具有異質亞結構的 (A-alt-C)-b-(b- alt- c)。從上到下依次為(PDMS₃₇-alt-PLA₂₀)₂₇-b-(PDMS₃₇-alt-PS₂₇)₁₇， (PDMS₃₇-alt-PLA₂₀)₄₅和(PDMS₃₇-altPS₂₇)₃₀。c， (A-alt-C)-b-(B-alt-C)包含兩個片層形成的Janus塊體。從上到下次為(PDMS₃₇-alt-PS₂₇)₄₀-b-(PDMS₃₇-alt-PLA₈₁)₁₅， (PDMS₃₇-altPLA₈₁)₃₀和(PDMS₃₇-alt-PS₂₇)₃₀。@ 2022 Spring Nature

五、成果啟示

本工作基于GBCP的CAMBB制備了一系列相間分層結構，在納米和介觀尺度上呈現出多種周期性特征，具有獨立的可調周期性。各種各樣的有機成分可以集成到這些層次結構中，以制造多功能材料。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01393-0