一种基于水膜制备大面积单层胶体晶体的方法

技术领域

本发明属于胶体科学领域，具体涉及单层胶体晶体的制备方法。

背景技术

胶体系统和气液界面在自然界中普遍存在，非常贴近生产和科研。近些年来，因为各种基于胶体科学理论的实验仪器在工业生产中的应用表现优秀，胶体加工和应用受到了广泛关注，并在光学、电磁学、生物传感、生物医药等重要领域展现出了巨大的应用潜力。因此，研发有效的胶体加工技术，实现参数可调的大面积晶格完整二维胶体和降低生产成本是极其必要的。到目前为止，已经发展了许多用于制备二维胶体结构的方法，然而，这些方法仍然有着加工面积小、效率低、成本高、晶格不完整以及受制于基底等问题。

在生物和医学领域的研究中，二维胶体作为一个理想的物理模型，研究者借此深入地分析了细胞中生物大分子的各种复杂现象如DNA组装，蛋白质合成，以及细胞膜上的动力学行为。二维胶体是由单分散胶体颗粒周期性排列而成的单层胶体。为了更准确地模拟各类生物分子在细胞膜上的活动，最关键的一步是制备出大面积、高质量的单层胶体晶体。目前，国际上很多研究小组都在密切关注大面积、高质量单层胶体晶体的自组装工艺、机理及其应用情况。经过多年的发展，多国的科学家先后在该领域内提出了旋涂自组装法、垂直自组装法、超声辅助自组装法、模板辅助自组装法、喷墨打印、激光辅助自组装法等先进的胶体粒子自组装方法，旨在获得大面积、高质量的胶体单层，从而制备出高性能的表面等离子体器件。我国科学家也提出了利用毛细自组装、静电自组装、微流体辅助自组装等方法来制备高质量的胶体单层。但是，当前的胶体自组装技术在制备大面积、高质量胶体单层方面仍然存在着团聚颗粒覆盖率大、大面积微观有序性差以及晶界较多等关键技术问题，而这些结构缺陷会破坏表面势能的周期性。因此，当前急需一种可以有效调控大面积微观有序性和晶界密度，并且能避免胶体粒子在自组装工艺过程中产生团聚、沉积和粘附的自组装方法，从而为其广泛的商业化应用提供坚实的技术支撑。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于界面水膜驱动的单层胶体晶体自组装方法，该方法制备的二维胶体晶体单层具有表面粘附颗粒少、大面积微观有序性好以及晶界密度低等显著优势。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

步骤1.将基片和培养皿分别清洗，然后进行超亲水处理；

步骤2.将二氧化硅胶体粒子单分散溶液在超声仪中震荡5分钟；

步骤3.将培养皿置于水平试验台上，将一片步骤1的基片置于培养皿中央；

步骤4.在步骤3的基片中央滴50微升超纯水，在基片表面形成水膜；

步骤5.将步骤4的基片置于显微镜下，向中央缓缓滴100微升步骤2的二氧化硅胶体粒子单分散溶液，同时观察显微镜下胶体球的密度分布，直至出现粒子排列为单层，控制样品温度约25摄氏度，湿度约50％；

步骤6.取另一片步骤1的基片水平置于步骤5的基片上方5毫米处，并向步骤5的基片靠近，当上方基片接触到水膜但未接触到基片时，等待约5 秒使水膜黏附到上方基片，待水膜黏附后远离基片直至上方基片与水膜完全分离。

步骤7.将步骤6的样品放入恒温箱中静置10分钟，控制温度约为55摄氏度，湿度小于50％；

步骤8.将基片置于显微镜下观察基片是否全部由单层区域覆盖，若出现多层区域，则在基片中央滴50微升超纯水，在基片上方缓缓贴近一块步骤1 的基片至上下基片完全贴合，并持续施加压力10秒，分离上下基片，水平静置基片至基片表面水膜完全蒸发。

步骤9.将基片置于显微镜下观察，若仍出现多层区域，重复步骤8直至所有基片仅出现单层区域，即可在基片表面得到所述单层胶体晶体。

进一步地，步骤1所述基片为无机材料。

进一步地，步骤1所述无机材料为玻璃、石英。

进一步地，步骤1所述超亲水处理为在75％的乙醇溶液中浸泡5min后置于超纯水中超声波清洗5min重复上述清洗2-3次。

进一步地，步骤2所述二氧化硅胶体粒子单分散溶液中二氧化硅交替直径范围为0.6μm-3.0μm。

进一步地，步骤6所述上方基片靠近及远离下方基片速度为0.1mm/s-0.3 mm/s。

进一步地，步骤8所述单层区域为在显微镜下观察基片胶体颗粒仅以单层方式整齐排列的区域。

进一步地，步骤8所述多层区域为在显微镜下观察基片呈现出大量胶体颗粒堆积形成阴影无法观察的区域。

进一步地，步骤8所述施加给基片的压力为1.00N-1.50N。

本发明利用胶体颗粒的水膜动力学自扩散快速制备二维胶体，其工作原理为：

由于稀释后的二氧化硅小球悬浮液中小球可能会少量团簇，在蒸发过程中这些团簇会成为凝结核导致二氧化硅小球大量聚集形成重叠，通过超声波震荡过程可以分散小球从而减少凝结核的数量，而减少重叠面积，其次移动上层基片时,通过表面张力带动液滴形变，使边缘液面处颗粒主要受到基片的范德瓦尔斯力从而使其迅速沉降进行自组装，最后少量仍然团簇状态的多层二氧化硅小球可以由超纯水浸润后通过压力与上层基片接触，由于上层基片对二氧化硅小球的吸引力大于团簇之间吸引力，多层分离成单层后经过自组装后形成无重叠二维胶体。

(三)有益效果

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明方法通过巧妙地利用超声波清洗基片时也可以击散团簇的二氧化硅小球，可以有效地减少胶体粒子的团簇，从而获得大面积的单层胶体。

2、本发明方法通过移动上层基片使液滴形变，加速空气与液面之间的连续过渡，加速颗粒自组装，可有效避免胶体颗粒自组装过程的团簇和粘附，从而显著降低重叠胶体的表面覆盖率。

3、本发明方法利用两层超亲水基片表面水膜极强的毛细作用力来驱动玻璃容器中水-空气界面的胶体粒子自发地组装在基片表面，并且可以对重叠区域有一定的修复并再利用，所制备的单层胶体薄膜具有节约样品、团聚颗粒覆盖率低、大面积微观有序性好、晶界少等显著优点。

附图说明

图1为本发明原理图；图2、图3、图4为本发明成功图。

具体实施方式

下面通过实例实施和附图进一步具体说明本发明。

步骤1.将两片20*20mm的二氧化硅基片和培养皿分别清洗，然后在浓度高于75％的酒精中浸泡5min后置于超纯水中超声波清洗5min重复上述清洗 2-3次，使其正反两面都呈现超亲水特性；

步骤2.将半径为1.01μm的二氧化硅胶体粒子单分散溶液在超声仪中震荡5分钟，使其尽量分散减少团簇；

步骤3.将培养皿置于水平试验台上，将一片步骤1的基片置于培养皿中央；

步骤4.在步骤3的基片中央滴50微升超纯水，在基片表面形成水膜；

步骤5.将步骤4的基片置于显微镜下，向中央缓缓滴100微升步骤2的二氧化硅胶体粒子单分散溶液，可同时观察显微镜下胶体球的密度分布，直至出现粒子大面积排列为单层，控制样品温度约25摄氏度，湿度约50％；

步骤6.取另一片步骤1的基片水平置于步骤5的基片上方5毫米处，并向步骤5的基片以0.2mm/s的速度靠近，当上方基片接触到水膜但未接触到基片时，等待约5秒使水膜黏附到上方基片，待水膜黏附后远离基片直至上方基片与水膜完全分离。

步骤7.将步骤6的样品放入恒温箱中静置10分钟，控制温度约为55摄氏度，湿度小于50％；

步骤8.将基片置于显微镜下观察基片是否全部由单层区域覆盖，若出现多层区域，则在基片中央滴50微升超纯水，在基片上方缓缓贴近一块步骤1 的基片至上下基片完全贴合，并持续施加1.00N压力10秒，分离上下基片，将基片重新放入恒温箱中控制温度约为55摄氏度，湿度小于50％，水平静置基片至基片表面水膜完全蒸发。