二維納微米材料有著獨特超薄扁平的平面結構從而具有獨特的載流子傳輸特性、刺激響應特性和加工特性，是一類具有廣泛應用價值的新型材料。相較于傳統的對大塊層狀材料進行機械加工的制備手段，從分子設計入手，利用微觀的超分子自組裝技術直接制備離散穩定的二維微納材料的方法具有操作簡便、收率穩定和低成本的優勢，從而受到科學工作者的廣泛關注成為研究熱點。近年來的研究成果中，通過半結晶性的嵌段共聚物的結晶作用驅動分子在溶液中原位自組裝被認為是一種較為成熟的構筑二維微納機構的手段。然而，一方面，該種方法制備得到的二維材料多為“硬材料”，不利于在應用方面進行制造加工；另一方面，受限于結晶對稱性，結晶驅動所得的二維材料多為三角形、長方形、六邊形等形狀，高度對稱性的正方形和圓形二維自組裝材料鮮有報道。
近日，南方科技大學何鳳副教授研究團隊著眼于采用共軛嵌段共聚物為構筑單元，通過分子間的π-π相互作用這一非結晶過程驅動分子自組裝的進行，獲得了具有更大比表面積、更高穩定性和柔性的高對稱正方形二維自組裝軟材料。材料的構筑基元分子為嵌段共聚物PPV-b-P2VP，該分子由共軛的PPV成核嵌段和強極性的P2VP延展嵌段組成，是典型的兩親性自組裝特性分子。使其在異丙醇溶液中經歷“溶解-降溫-陳化”這一簡單過程，制備得到了均一分散的二維正方形自組裝膠束。這些正方形二維膠束具備良好的膜形貌，擁有良好的柔性和穩定性，尺度范圍跨度從100 nm至10 μm。通過調節共聚物的嵌段長度比和生長溶液的濃度，可以實現對所得二維正方形自組裝結構的尺寸進行較為精確的調控。
圖1 嵌段共聚物PPV-b-P2VP分子結構及所形成的二維自組裝膠束電鏡及激光共聚焦照片
利用激光共聚焦顯微鏡、紫外吸收光譜和動靜態光散射測試對二維微納軟材料的組裝過程進行了跟蹤，解析了正方形二維材料在溶液相中首先通過親疏作用聚集，進而通過共軛分子間的H聚集作用由一維至二維的生長過程。結合對正方形二維膠束進行的高分辨顯微鏡拍攝、選區電子衍射、掠入射廣角X射線散射測試和分子動力學模擬，確認了所得二維材料的非晶態性質以及PPV嵌段間的π-π相互作用對于二維正方形膠束形成的驅動作用。
圖2 a) 嵌段共聚物在溶液中隨時間溫度變化的紫外吸收可見光譜，b) 二維正方形膠束GIWAXS衍射圖，c) 二維正方形微納材料的SEAD圖，d) 二維正方微納材料的HRTEM照片
圖3 嵌段共聚物分子通過π-π相互作用驅動自組裝形成二維正方形微納膠束的過程示意圖
本項研究采用非結晶手段成功實現了聚合物可控二維自組裝膠束的形成，為二維微納材料的構筑提供了新的思路，對于聚合物二維自組裝的研究有著重要的貢獻。同時，通過此種簡便手段獲得的二維正方形軟材料，有著良好的光學和電學特性，是一種可以預見的具有多種潛在應用價值的功能微納材料。
此項成果發表在知名國際期刊《Nature Communications》上，工作主要由何鳳研究組博士后韓亮（第一作者）和碩士王美晶（第二作者）完成，南方科技大學化學系為第一研究單位，何鳳副教授為唯一通訊作者，美國阿貢國家實驗室陳偉教授和吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室錢虎軍教授分別對研究中的GIWAXS實驗和分子動力學模擬進行了支持。
本項成果的研究開展得到了南方科技大學啟動經費、國家青年千人項目、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市孔雀團隊和深圳市科創委的經費支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03195-y
何鳳課題組致力于有機共軛高分子材料的設計與合成工作，并在超分子自組裝、有機聚合物太陽能電池及有機共軛高分子光電等多個方向上拓展其應用。課題組自成立以來，已在Nat. Commun., Chem. Mater., ACS. Energy Lett., J. Mater. Chem. A, Macromolecules等領域內頂尖刊物上發表論文多篇，其中2篇被選為雜志封面。
何鳳副教授簡介： http://chem.sustc.edu.cn/index.php/staff/details/tid/12.html
