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  通過(guò)將納米顆粒與聚合物基體相復(fù)合，可以獲得綜合性能優(yōu)異的聚合物基納米復(fù)合（PNC）材料。在PNC材料的制備過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)納米顆粒在聚合物基體中的高效均一分散，并通過(guò)功能性粒子的有效復(fù)合實(shí)現(xiàn)特定的PNC應(yīng)用，成為了一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。共混法、原位聚合法和溶膠-凝膠法等已被用于實(shí)現(xiàn)納米顆粒在聚合物基體中的分散，然而這些方法均存在化學(xué)過(guò)程復(fù)雜、原料不易獲得等限制，且很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米顆粒在聚合物基體中的均一分散和選擇性表面分布。

  近日，寧波大學(xué)孫巍團(tuán)隊(duì)提出一種基于純物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)納米粒子高效分散的納米復(fù)合膜制備方法。基于水滴模板（BF）界面誘導(dǎo)過(guò)程，并利用Janus粒子界面組裝特性，通過(guò)一步法制備得到具有高比表面積、粒子均一分散且實(shí)現(xiàn)表面高選擇性修飾的PNC薄膜，并利用Ag和TiO₂納米顆粒的性能特點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)PNC膜的抗菌及光催化應(yīng)用（圖1）。

  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)膠質(zhì)體法制備得到了具有樹莓狀結(jié)構(gòu)的Janus粒子，并利用兩親化表面改性，獲得物理與化學(xué)雙異質(zhì)性的Janus粒子（圖2）。進(jìn)一步通過(guò)將Janus粒子加入聚合物溶液中并實(shí)施BF成膜過(guò)程成功制備了多孔型PNC薄膜。在BF過(guò)程中，所澆筑液膜的表面層與底面層之間的溫差會(huì)直接影響溶劑揮發(fā)及所造成Marangoni對(duì)流過(guò)程，而這也會(huì)進(jìn)一步影響液膜內(nèi)Janus粒子受Pickering乳化效應(yīng)所實(shí)現(xiàn)的界面組裝行為，以及模板水滴陣列的排列規(guī)整性和尺寸均一性。基于以上認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)控，在低溫條件下實(shí)現(xiàn)了Janus粒子在聚合物基體內(nèi)的均一分散以及在孔洞內(nèi)壁處的局部選擇性分布（圖2）。

  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了不同類型的物理/化學(xué)異質(zhì)性粒子在BF過(guò)程中的界面組裝行為，結(jié)果表明，兩親樹莓狀Janus粒子在孔洞內(nèi)壁上表現(xiàn)出疏水化修飾面的選擇性朝向，而樹莓狀Janus粒子的納米銀修飾面呈現(xiàn)較為隨機(jī)的朝向行為（圖3）。

圖3.不同類型Janus粒子修飾的多孔膜形貌

  研究團(tuán)隊(duì)以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌為模型細(xì)菌，考察了利用界面誘導(dǎo)自組裝策略制備的Ag納米粒子附著的Janus粒子修飾多孔復(fù)合膜的抗菌性能。研究團(tuán)隊(duì)選擇了具有四種不同類型粒子修飾的多孔復(fù)合膜樣品，用以比較樣品薄膜的抗菌性能。結(jié)果顯示樹莓狀Janus粒子修飾的多孔復(fù)合膜樣品在含銀量極低的情況下，抗菌率高達(dá)94%。而兩親性Janus粒子由于大部分納米Ag嵌入聚合物基體中，其樣品薄膜抗菌率約為80%。此外，采用BF策略成功實(shí)現(xiàn)了TiO₂納米顆粒復(fù)合PNC薄膜的制備，TiO₂顆粒在聚合物基體中同樣實(shí)現(xiàn)了均勻分散和局部高選擇分布的修飾特點(diǎn)，所制備的PNC薄膜被證明具有良好的光催化性能（圖4）。

圖4. 不同類型粒子修飾多孔膜的抗菌性能及TiO₂納米顆粒修飾多孔膜的光催化性能

  該研究構(gòu)建了一種利用純物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)PNC薄膜材料制備的有效策略，為實(shí)現(xiàn)納米粒子在聚合物基體中的高效分散開辟了新的途徑，并初步開拓了該方法制備得到的PNC功能薄膜在抗菌及光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Fabrication of Nanocomposite Film Decorated with Highly Dispersive Nanoparticles by Following Interface-Induced Strategy”為題發(fā)表在Chemical Communications（2022, DOI: 10.1039/D2CC01871C）上，寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院的孫巍副教授為本文通訊作者，寧波大學(xué)姜淑娟教授和浙江大學(xué)金橋教授為共同署名作者，寧波大學(xué)碩士研究生馬睿為第一作者。該工作獲得了浙江省自然科學(xué)基金的資助。

  寧波大學(xué)孫巍副教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)多年來(lái)深入開展水滴模板（BF）類方法的基礎(chǔ)和應(yīng)用型研究，近年來(lái)在BF相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表多篇研究論文（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 47048；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 4177；Chem. Commun., 2021, 57, 6620; Chem. Commun., 2020, 56, 4808；Colloid Surface A, 2020, 603, 125183；ACS Biomater. Sci. Eng., 2019, 5, 6610）。