香港城大柴愚教授团队 Angew：利用纳米颗粒团聚实现流体界面的纳米粒子传输

2023-08-02 来源：高分子科技

在精细化工、化妆护肤、食品加工和生物医药等领域，实现纳米粒子在不相溶两相间的相转移对其合成、处理和修饰至关重要。通常，相转移过程是通过将粒子表面原位修饰上配体来实现的。但这一过程会不可避免地造成纳米粒子团聚。在传统观念里，粒子团聚意味着相转移的失败。

图1. 实现纳米粒子相转移的传统路径与该工作发现的新路径的对比示意图。

近期，香港城市大学柴愚教授团队通过将分散有柠檬酸根修饰的金纳米粒子（cit-AuNPs）的水相和溶解有两亲性氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷（H₂N-PDMS-NH₂）的有机相接触，揭示了一种全新的“单颗粒-团聚体-单颗粒”的纳米粒子相转移机理，从而证明了纳米粒子的团聚并不一定导致相转移的失败。相关工作以“Using Aggregation to Chaperon NPs Across Fluid Interfaces”为题发表在《Angewandte Chemie》（《德国应化》）期刊上。香港城市大学博士生付昱晨为该论文的第一作者，香港城市大学柴愚教授和美国马萨诸塞大学阿默斯特分校及劳伦斯伯克利国家实验室的Thomas P. Russell 教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和香港研究资助局的支持。

图2. 液体界面输运纳米粒子的宏观观测和光学研究。

当水相分散的cit-AuNPs浓度不同时，与溶有固定浓度的二氯甲烷（DCM）溶液接触后，H₂N-PDMS-NH₂的双亲特性使其从油相向水相扩散，并与cit-AuNPs表面的柠檬酸根静电结合，导致AuNPs表面电荷密度降低，造成纳米粒子团聚。因此水相的颜色呈现梯度性地由酒红色变蓝色，并且颗粒浓度越高，团聚现象越剧烈。这一现象也被水相的紫外-可见光吸收光谱证实。在重力作用下，这些团聚体会沉积到水油界面。随着接触时间延长，接触油相的配体烷基链不断溶胀，团聚体重新分解成单颗粒分散到油相，使油相颜色逐渐变红，其动态过程可以用油相的紫外-可见光光谱证明。
由于柠檬酸根与金表面的结合力很弱，因而很容易被氨基、巯基配体等通过配体交换而取代。为了探究上述相转移机理在仅有静电结合作用下是否可行，作者采用了巯基十一烷酸修饰的金纳米粒子（MUA-AuNPs）。有趣的是，MUA-AuNPs溶液接触到溶有低分子量的氨基配体（单端或双端）的油相后颜色由红变蓝，表明也产生了颗粒团聚，但只含有单氨基封端的PDMS配体的油相在一段时间后发生了相转移，而这一过程是仅靠静电作用实现的，从而显示出“单颗粒-团聚体-单颗粒”这一全新相转移机理的普适性。

图3. 仅靠静电引力作用下MUA-AuNPs在液/液界面的输运。

最后，通过将带有负电荷的聚苯乙烯纳米粒子（PSNPs）引入水相中，在界面与H₂N-PDMS-NH₂自组装成结构化层（jammed layer），从而有效阻断了H₂N-PDMS-NH₂向水相的扩散和金颗粒的团聚，使纳米粒子无法输运到油相中。该工作为实现界面间纳米粒子的传输以及调控其在不同液体环境的分散提供了一个开创性的策略。

图4. 通过形成结构化界面层来阻断液/液界面间聚合物配体的扩散。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202308853

柴愚，香港城市大学物理系教授，博士生导师。2016年于加拿大滑铁卢大学获得博士学位，2016-2019年以及2019-2020年分别于美国加州大学伯克利分校、美国劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，2020年入职香港城市大学理学院物理系。课题组长期关注软物质在表界面的特殊性质及行为并探索其在柔性器件等方面的潜在应用，并常年招收具有化学、物理、材料、计算模拟等背景的硕士、博士。欢迎通过邮箱（yuchai@cityu.edu.hk）联系交流。课题组主页https://www.chailab.net/

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（责任编辑：xu）

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