《Journal of Molecular Liquids》：Photopolymerization of field-induced patterned alignment of 2D nanoparticles in nano-colloidal liquid crystals
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通过结合高频电场诱导的二维α-二氧化锆磷酸（α-ZrP）纳米片反向向列相排列与低频电场诱导的异常向列相排列，实现了双频电场对纳米片定向排列的协同控制。随后利用紫外光固化技术将电场定向排列的纳米片固定为具有任意图案化排列的复合薄膜。
P.A.N.S. Priyadharshana|Seung-Ho Hong|Sahul Hameed Syed Ali|Tian-Zi Shen|Jang-Kun Song
斯里兰卡凯拉尼亚大学理学院物理与电子系，凯拉尼亚11600
摘要
在各向异性纳米粒子的组装方面，仍存在重大挑战。由于电控方法简单易行，因此备受关注，但这种方法存在问题：由于胶体液晶（LCs）的弹性恢复力较弱，缺乏可逆的驱动机制。在此，我们通过结合场诱导的正常反向向列排列与异常向列排列，实现了对二维（2D）α-锆磷酸盐（α-ZrP）胶体LCs的电控。这两种正交排列分别在高频和低频场下发生，从而实现了对纳米粒子排列的双频控制。此外，通过引入紫外光诱导的光聚合技术，我们制备出了具有精确图案化纳米粒子排列的复合薄膜。
引言
将微观粒子组装成宏观结构可以为材料提供独特的集体性质，这是随机配置无法实现的。在过去的几十年里，胶体粒子因其可控的尺寸和形状分布而成为制造此类结构的多功能构建块。虽然球形粒子因其丰富性和单分散性而被最广泛使用[1,2]，但各向异性粒子（如一维（1D）棒状或二维（2D）片状粒子）被认为更具潜力。它们的方向依赖性物理性质使得组装更加丰富和复杂[[3], [4], [5], [6]]。
通过插层技术（如基于氧化、还原或离子交换的插层），层状无机块状化合物可以剥离成独立的二维单层[[7], [8], [9]]。这些各向异性胶体表现出溶致液晶（LC）相，这一现象符合Onsager的理论预测[10]。外部刺激（包括电场、磁场、机械力和激光辐射）已被广泛用于引导胶体自组装[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。这些方法能够产生具有光子晶体性、可调双折射和其他新兴光学性质的有序阵列[15,17,18]。
然而，许多外部诱导的组装结构本质上是不稳定的，一旦去除驱动场就会恢复无序状态。聚合物纳米复合材料作为一种有效的策略，被用来“锁定”纳米粒子的排列。自丰田在1993年开展聚合物纳米复合材料的研究以来，人们已经开发出将聚合物的功能性与胶体构建块结合的混合系统[19]。最近，我们报道了一种由剥离的α-锆磷酸盐（α-ZrP）纳米片和Pluronic F127组成的双响应纳米复合材料系统，其中热敏共聚物使得电场诱导的排列能够实现可逆稳定[20]。
然而，实现永久性的、不可逆的排列仍然具有挑战性，因为纳米粒子在后续外部刺激下往往会重新定向。一种有前景的方法是引入光可聚合聚合物，通过紫外光引发链增长来实现有序胶体的原位固定。
在这项研究中，我们扩展了之前的工作，展示了使用紫外光固化纳米复合材料对α-ZrP纳米片进行不可逆稳定的方法。分散在二甲亚砜（DMF）中的剥离α-ZrP胶体在高频（10 kHz）下表现出正常反向向列排列，在低频（50 Hz）下表现出异常向列排列。通过将α-ZrP与光可聚合化合物混合，我们制备了一种紫外光可固化的纳米复合材料混合物。通过双频电控排列和随后的光聚合，我们制备出了具有任意图案化纳米粒子排列的大规模薄膜。
章节摘录
α-ZrP纳米粒子的合成
高结晶度的α-ZrP（Zr(HPO?)?·H?O）纳米粒子是通过水热法合成的。通常，将八水合氧化锆氯化物（ZrOCl?·8H?O，90.0%，Alfa Aesar）缓慢溶解在磷酸（H?PO?，85 wt%，Daejung，韩国）中，摩尔比为1:10，并进行40–60分钟的机械搅拌。然后将溶液转移到一个密封的50 mL特氟龙内衬高压釜中，在200°C下加热24小时。产物用去离子水反复洗涤，直到pH值达到6–7。
α-ZrP-DMF-预光聚合混合物的相态
通过混合剥离的α-ZrP、DMF和预光聚合剂，制备了不同浓度的α-ZrP-DMF-预光聚合混合物，如图2所示。第一、第二和第三行的混合物中α-ZrP的浓度（Φ_ZrP）分别为0.3%、0.7%和1.2%；第一到第四列的混合物中预光聚合剂的浓度（Φ_P）分别为0%、9.1%、16.7%和28.6%。通过观察
结论
在这项研究中，我们研究了α-ZrP纳米胶体的场诱导正常反向向列排列和异常向列排列。我们使用电场辅助技术来操控稀释悬浮液中的α-ZrP纳米粒子。当施加10 kHz的方波信号时，观察到正常的反向向列排列；而施加15 Hz的方波信号时，则明显观察到异常向列排列。此外，我们还开发了一种
CRediT作者贡献声明
P.A.N.S. Priyadharshana：撰写——初稿、方法论、数据分析、概念化。Seung-Ho Hong：撰写——审阅与编辑。Sahul Hameed Syed Ali：数据分析。Tian-Zi Shen：数据分析。Jang-Kun Song：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（NRF-2018R1D1A1B07048166）。
