一種自組裝納米卷狀結構的制備方法及其模擬驗證方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料技術領域，具體地說，涉及一種基于缺陷誘導的制備卷狀納米結構的方法。
【背景技術】
[0002]表面活性劑、聚合物、納米顆粒等分子或基元可自發地聚集、組裝，形成形貌豐富、高度有序的納米組裝結構，這被稱為“自組裝”現象。憑借分子間的相互作用力，不需要人工干預，分子或基元即可自發組裝成特定形貌的納米結構，進而在藥物投遞、仿生材料、油田開發等眾多領域得以應用。自組裝已經成為物理、化學、材料、生物等多學科交叉的前沿課題，得到了科學界廣泛關注。
[0003]自組裝納米結構的應用價值，主要取決于其組裝形貌。對表面活性劑等基元的自組裝行為進行調控，進而得到各種形貌的納米結構，是自組裝研究中的關鍵問題。自組裝形貌調控方法有很多，如改變基元的形狀、溶液濃度等。除此之外，研究發現，將自組裝基元置于受限空間(如孔道、狹縫)中，可得到異于純液相中的復雜的自組裝納米結構，已經成為一種高效的調控自組裝形貌的方法。
[0004]在已有的研究中，利用空間受限作用，已經調控出一些特別的納米結構，如雙螺旋結構、洋蔥狀結構、納米管結構等。利用這些自組裝納米結構，已經制備出多種形式的納米材料，進而在各領域得到了應用。盡管如此，尚有其他形貌的自組裝納米結構有待發現，“納米卷”就是其中之一。目前，利用單層石墨烯可以制備出石墨烯卷狀結構，具有良好的儲氫前景。但是，基于分子自組裝的卷狀納米結構還尚未見報道。尋找有效的方法，調控表面活性劑等基元的自組裝行為，得到卷狀納米結構，在催化、表面處理、功能納米材料的制備等眾多領域有著重要的意義。
[0005]本發明設計了一種調控自組裝以得到卷狀納米結構的方法，并采用計算機分子動力學模擬對該方法的可行性進行了驗證。通過該方法，可得到多種形狀的卷狀納米結構，對于卷狀納米結構的實驗制備有重要的指導意義。
【發明內容】
[0006]針對上述技術問題，本發明提供了一種自組裝納米卷狀結構的制備方法，首先構建一個帶有缺陷的受限孔道，然后將組裝基元置于受限孔道中，由受限孔道的誘導作用，所述組裝基元首先形成第一層自組裝結構，所述第一層自組裝結構的首端與尾端不相接；由第一層自組裝結構的誘導作用，形成第二層自組裝結構，所述第二層自組裝結構的首端與第一層自組裝結構的尾端連接；逐漸形成多層自組裝結構，形成完整的卷狀自組裝納米結構。
[0007]進一步的，所述受限孔道是采用平行排列的碳納米管構建而成。
[0008]進一步的，所述組裝基元為嵌段共聚物、雙面神納米顆粒或表面活性劑。
[0009]進一步的，所述受限孔道為圓形、橢圓形或六角形孔道。
[0010]進一步的，所述缺陷長度為3.3-3.6 nm。
[0011]本發明還提供了一種自組裝納米卷狀結構的制備方法的模擬方法，具體為:
(1)在MaterialsStud1軟件中分別構建粗粒化受限孔道模型及粗粒化組裝基元模型，進行粗粒化分子動力學模擬；
(2)將隨機分布的組裝基元置于受限孔道中，構建初始模型，對初始模型進行幾何優化；
(3)對優化后的模型進行分子動力學模擬，形成完整的卷狀自組裝納米結構。
[0012]進一步的,所述步驟(I)中粗粒化分子動力學模擬是運用Mesocite模塊,模擬力場為Shinoda力場。
[0013]進一步的，所述步驟(2)中對初始模型進行幾何優化是采用Shinoda力場，Steepest Descent 及 Smart 算法。
[0014]進一步的，所述步驟(3)中分子動力學模擬采用NVT系綜，溫度為298 K，時間步長為10 fs,采用Berendsen控溫方法,每個模型分別模擬30 ns。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是:通過計算機模擬的方法，證實了本發明中自組裝納米卷狀結構的制備方法的可行性。通過受限孔道中的缺陷誘導，可以制備出卷狀自組裝納米結構。將缺陷引入到不同形狀的受限孔道中，可以得到多種形態的卷狀自組裝納米結構，可以為納米材料的制備和生產提供有力指導。
【附圖說明】
[0016]圖1.本發明的自組裝納米卷狀結構的形成過程示意圖；
圖2.本發明實施例中粗粒化模型構建圖；
圖3.本發明中受限孔道構建圓形；
圖4.本發明中根據受限孔道構建圓形所形成的卷狀自組裝納米結構。
【具體實施方式】
[0017]下面結合【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步詳細的說明。
[0018]本發明是基于空間受限作用，設計了一種因缺陷誘導形成自組裝納米卷狀結構的制備方法。其實施方案如下:
(I)構建一個帶有缺陷3的受限孔道1，如圖1a所示，將具有較高濃度的組裝基元2置于該受限孔道中；所述組裝基元為嵌段共聚物、雙面神納米顆粒或表面活性劑。
[0019](2)由于受限孔道的誘導作用，在靠近孔道的地方會首先形成第一層自組裝結構4，如圖1b中虛線所示；由于缺陷的存在，第一層自組裝結構的首端與尾端不能相接，而存在一個間隙，該間隙的長度與孔道缺陷長度一致。
[0020](3)在第一層自組裝結構的誘導作用下，會逐漸形成第二層自組裝結構；同樣地，由于缺陷的存在，第二層自組裝結構的首端與尾端不相接；但是，調整缺陷長度為某一特定數值，第二層的首端與第一層的尾端會連接起來，形成完整的卷狀結構，如圖1c所示。
[0021](4)隨著時間的推移，自組裝過程由外到內逐漸進行，形成多層自組裝結構，而且相鄰兩層之間首尾相接，最終成為完整的納米卷狀結構，如圖1d所示。
[0022](5)將類似的缺陷引入到其他形狀的受限孔道中，便可得到其他形狀的納米卷狀結構，所述受限孔道的形狀可以為圓形、橢圓形或六角形孔道等等，如圖3所示。
[0023]本發明還通過計算機分子動力學模擬的方法，對上述自組裝納米卷狀結構的制備方法進行模擬，具體為:
(1)在MaterialsStud1軟件中分別構建粗粒化受限孔道模型及粗粒化組裝基元模型，運用Mesocite模塊進行粗粒化分子動力學模擬,模擬力場為Shinoda力場；
(2)將隨機分布的組裝基元置于受限孔道中，構建初始模型，對初始模型進行幾何優化，采用Shinoda力場，Steepest Descent及Smart算法,使其能量趨于穩定；
(3)對優化后的模型進行分子動力學模擬