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温度开关效应的纳米金粒子

 近年来,金属纳米颗粒,尤其是金纳米粒子由于其优异的导电性能,良好的化学稳定性及其独特的光学、催化特性而吸引了更多的关注〔1〕。另一方面,自美国麻省理工学院(MIT)的科学家Tanaka发现智能性水凝胶(Intelligent Hydrogel 或 Smart Hydrogel)以来,智能性水凝胶得到了深入、广泛的研究〔2〕。所谓智能性水凝胶是指对外来刺激具有应答响应的凝胶,如某些凝胶在外部刺激如pH, 温度,光,电场,溶剂等的作用下发生相变或体积变化。目前,二者的复合物已经引起了人们的注意。如Willner研究小组报道了通过“呼吸”机制制备具有溶剂型开关特性的纳米金/聚丙烯酰胺水凝胶复合物〔3〕。该复合物可通过凝胶对溶剂刺激发生收缩/溶胀的变化使该复合物的导电性表现出溶剂开关特性。但该复合体系存在制备复杂、稳定性、重现性、可控性差等缺点。温度开关 热敏电阻
本文在Willner小组的研究基础上,将功能化的纳米金粒子与PNIPAm智能水凝胶通过化学键进行复合,制备了一种稳定的、新型的、具有独特的可控功能的新材料。目前对该类新材料的研究还未见有报道。
首先,在Brust方法〔4〕的基础上,通过在体系中引入烯丙基硫醇作为功能单体制备了表面带有可聚合物双键的纳米金粒子,采用FTIR(Nicolet MX-1FTIR红外光谱仪,溴化钾压片)和TEM(JEM-100CX型透射电镜)对其进行了表征。其次,通过自由基聚合得到了红色透明的纳米金粒子/PNIPAm凝胶复合物。采用重量法对复合物凝胶的温敏性进行了表征〔6〕。同时,以泡沫镍作为电极,在两片电极之间原位制备纳米金/PNIPAm凝胶复合物。用DDS-11A型电导率仪测试了该复合物的电导率在纯水中随温度的变化。

图1是纳米金粒子的FTIR、TEM照片。从TEM照片我们可以看出:金粒子是粒径为5-10nm的球形粒子。同硫醇单体的谱图相比较:在金粒子的FTIR图中,位于2560cm-1处的巯基的伸缩振动峰消失,而位于1630cm-1处的双键的伸缩振动峰则依然存在。这说明:由于金与硫元素之间特殊的相互作用,烯丙基硫醇通过巯基键合到了金粒子的表面。我们得到了表面带有双键的纳米金粒子。进一步地,采用这种功能化的纳米金粒子,我们制得了纳米粒子分散良好的纳米金/PNIPAm复合物。

纳米金/PNIPAm复合物的温敏性变化如图2所示。从图中可以看出;在18℃-32℃之间,纳米金/PNIPAm复合物的溶胀度随着温度的升高而逐渐减小;金粒子的引入对复合物的溶胀过程没有明显的影响;随着金粒子的量的增加,复合物溶胀度明显变小。这说明:金粒子的引入对PNIPAm的溶胀行为没有影响。这就为复合物电性能的温度“开/关”效应打下了基础。

温度对纳米金/PNIPAm复合物的电导率的影响如图3所示。金含量为0.1ml的复合物在8℃时,电导率为0.08mS cm-1;当环境温度升高到26.5℃,其电导率突跃为10.6 mS cm-1,继续升高温度,电导率保持不变。降低温度,复合物的电导率在22℃突降为0.2 mS cm-1。该复合物的电性能表现出了良好的温度“开/关”效应。这主要是由于:随着环境温度的升高或降低,该复合物的体积收缩或溶胀,导致了纳米金粒子之间距离的改变,当粒子间的距离减小到一定值时,渗流效应使得电子可以在金粒子之间跃迁〔5〕,该过程可逆。复合物电性能表现出良好的温度“开/关”效应。
综上所述,本文对已有文献进行改进,制备了表面带有可聚合双键的纳米金粒子,并在此基础上制得了分散状态良好的纳米金/PNIPAm复合物。该复合物具有良好的温敏性,金粒子的引入对PNIPAm的溶胀行为没有影响;更进一步地,纳米金粒子/PNIPAm复合物的电性能具有优良的温度“开/关”效应。


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