Janus复合材料

 

 

古罗马神Janus的头部具有双面结构，分别朝向过去和未来，与中国的阴阳概念类似，体现了事物的辩证统一。1991年，de Gennes在诺贝尔颁奖演讲中，首次借用Janus一词描述同一颗粒两面具有不同化学组成或性质，并预测Janus颗粒类似双亲性分子可在液/液界面自组装具有明确指向，颗粒间的缝隙为物质在两相间传输提供了通道。de Gennes充满启发性的演说引发了Janus颗粒的研究热潮。

Janus材料是物质空间分区和功能集成的典范。进一步将控制复合结构与功能分区拓展到组成和性质分区概念，发展合成不对称的Janus颗粒基本方法，系统研究其性质，为实际应用奠定基础。利用单分散二氧化硅在Pickering乳液油水界面分区特性，结合双相原子转移自由基聚合，制备了有机/无机复合Janus球形胶体，解决了颗粒在液体界面转动难题（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3973）。发展了Pickering乳液界面颗粒选区刻蚀并复合方法，制备组成和结构可控的非球形Janus胶体（Chem. Commun. 2009, 3871）。进一步发展了乳液种子聚合诱导相分离方法并结合我们发展的凝胶复合功能物质技术，首次批量制备了组成严格分区的亚微米两亲性Janus胶体颗粒（Chem. Commun. 2010, 46, 4610; Macromolecules 2010, 43, 5114; 2011, 44, 3787）。首创性得到了充分肯定（Prog. Polym. Sci. 2012, 37, 445）。

发展了利用界面双亲性环境，诱导溶胶-凝胶在其界面自组装制备Janus中空球方法，Janus中空球作为容器能选择性地在空腔内装载物质，为中空微球在油水分离，催化和可控装载释放等方面应用提供了新途径（Chem. Commun. 2011, 47, 1231）。进一步选区复合高分子并控制微结构，制备了聚合物复合的多孔Janus中空球（Polymer 2012, 53, 3712；Macromolecules 2013, 46, 4126）。在空腔内装载功能性纳米颗粒，如具有光催化作用的二氧化钛纳米颗粒，实现了有机染料的富积和催化降解（Chem. Commun. 2013, 49, 6161）。将上述Janus中空球磨碎得到Janus纳米片材料，作为颗粒乳化剂，能高效稳定流体，甚至可在空气中获得稳定的“干液滴（dry droplets）”（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2379）。选择生长复合物质如Fe₃O₄赋予其功能性如乳液液滴的磁操纵及颗粒乳化剂的磁回收。上述特性在油水分离和强化采油等领域中具有重要意义。审稿人认为“该方法简单、易于批量制备，是一类文献几乎没有报道的新材料”。相关研究结果发表后，被Nature China和NPG Asia Materials 作为Research Highlight给予了高度评价。选区复合聚合物，实现Janus片表面不同化学分区向功能分区转化，赋予Janus片外场（磁、光、离子、温度、pH等）响应和操控性能（Macromolecules 2012, 45, 1460；Macromolecules 2013, 46, 2754；Chem. Commun. 2014, 50, 5706），为赋予Janus片外场操控和生物识别奠定了基础。研究了材料表面微结构对浸润性的影响，利用嵌段聚合物自组装特性，制备了形状规则、均一的盘状Janus材料（Adv. Mater. 2014, 26, 4469；Macromolecules 2013, 46, 7107；Macromolecules 2014, 47, 3701）。基于以上Janus材料研究，受邀为Advance Materials撰写综述（Adv. Mater. 2014, 26, 6944）。