通过将纳米颗粒与聚合物基体相复合，可以获得综合性能优异的聚合物基纳米复合（PNC）材料。在PNC材料的制备过程中，如何实现纳米颗粒在聚合物基体中的高效均一分散，并通过功能性粒子的有效复合实现特定的PNC应用，成为了一项重要的挑战。共混法、原位聚合法和溶胶-凝胶法等已被用于实现纳米颗粒在聚合物基体中的分散，然而这些方法均存在化学过程复杂、原料不易获得等限制，且很难同时实现纳米颗粒在聚合物基体中的均一分散和选择性表面分布。
近日，宁波大学孙巍团队提出一种基于纯物理过程实现纳米粒子高效分散的纳米复合膜制备方法。基于水滴模板（BF）界面诱导过程，并利用Janus粒子界面组装特性，通过一步法制备得到具有高比表面积、粒子均一分散且实现表面高选择性修饰的PNC薄膜，并利用Ag和TiO2纳米颗粒的性能特点分别实现PNC膜的抗菌及光催化应用（图1）。
研究团队通过胶质体法制备得到了具有树莓状结构的Janus粒子，并利用两亲化表面改性，获得物理与化学双异质性的Janus粒子（图2）。进一步通过将Janus粒子加入聚合物溶液中并实施BF成膜过程成功制备了多孔型PNC薄膜。在BF过程中，所浇筑液膜的表面层与底面层之间的温差会直接影响溶剂挥发及所造成Marangoni对流过程，而这也会进一步影响液膜内Janus粒子受Pickering乳化效应所实现的界面组装行为，以及模板水滴阵列的排列规整性和尺寸均一性。基于以上认识，研究团队通过实验调控，在低温条件下实现了Janus粒子在聚合物基体内的均一分散以及在孔洞内壁处的局部选择性分布（图2）。
研究团队进一步研究了不同类型的物理/化学异质性粒子在BF过程中的界面组装行为，结果表明，两亲树莓状Janus粒子在孔洞内壁上表现出疏水化修饰面的选择性朝向，而树莓状Janus粒子的纳米银修饰面呈现较为随机的朝向行为（图3）。
图3.不同类型Janus粒子修饰的多孔膜形貌
研究团队以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌为模型细菌，考察了利用界面诱导自组装策略制备的Ag纳米粒子附着的Janus粒子修饰多孔复合膜的抗菌性能。研究团队选择了具有四种不同类型粒子修饰的多孔复合膜样品，用以比较样品薄膜的抗菌性能。结果显示树莓状Janus粒子修饰的多孔复合膜样品在含银量极低的情况下，抗菌率高达94%。而两亲性Janus粒子由于大部分纳米Ag嵌入聚合物基体中，其样品薄膜抗菌率约为80%。此外，采用BF策略成功实现了TiO2纳米颗粒复合PNC薄膜的制备，TiO2颗粒在聚合物基体中同样实现了均匀分散和局部高选择分布的修饰特点，所制备的PNC薄膜被证明具有良好的光催化性能（图4）。
图4. 不同类型粒子修饰多孔膜的抗菌性能及TiO2纳米颗粒修饰多孔膜的光催化性能
该研究构建了一种利用纯物理过程实现PNC薄膜材料制备的有效策略，为实现纳米粒子在聚合物基体中的高效分散开辟了新的途径，并初步开拓了该方法制备得到的PNC功能薄膜在抗菌及光催化领域的应用。相关研究成果以“Fabrication of Nanocomposite Film Decorated with Highly Dispersive Nanoparticles by Following Interface-Induced Strategy”为题发表在Chemical Communications（2022, DOI: 10.1039/D2CC01871C）上，宁波大学材料科学与化学工程学院的孙巍副教授为本文通讯作者，宁波大学姜淑娟教授和浙江大学金桥教授为共同署名作者，宁波大学硕士研究生马睿为第一作者。该工作获得了浙江省自然科学基金的资助。
宁波大学孙巍副教授领衔的团队多年来深入开展水滴模板（BF）类方法的基础和应用型研究，近年来在BF相关领域发表多篇研究论文（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）。
相关进展
宁波大学孙巍副教授团队《Chem. Commun.》：非对称多层多孔聚合物薄膜的一步法制备及其药物控释应用
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