一种自组装纳米卷状结构的制备方法及其模拟验证方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料技术领域，具体地说，涉及一种基于缺陷诱导的制备卷状纳米结构的方法。
【背景技术】
[0002]表面活性剂、聚合物、纳米颗粒等分子或基元可自发地聚集、组装，形成形貌丰富、高度有序的纳米组装结构，这被称为“自组装”现象。凭借分子间的相互作用力，不需要人工干预，分子或基元即可自发组装成特定形貌的纳米结构，进而在药物投递、仿生材料、油田开发等众多领域得以应用。自组装已经成为物理、化学、材料、生物等多学科交叉的前沿课题，得到了科学界广泛关注。
[0003]自组装纳米结构的应用价值，主要取决于其组装形貌。对表面活性剂等基元的自组装行为进行调控，进而得到各种形貌的纳米结构，是自组装研究中的关键问题。自组装形貌调控方法有很多，如改变基元的形状、溶液浓度等。除此之外，研究发现，将自组装基元置于受限空间(如孔道、狭缝)中，可得到异于纯液相中的复杂的自组装纳米结构，已经成为一种高效的调控自组装形貌的方法。
[0004]在已有的研究中，利用空间受限作用，已经调控出一些特别的纳米结构，如双螺旋结构、洋葱状结构、纳米管结构等。利用这些自组装纳米结构，已经制备出多种形式的纳米材料，进而在各领域得到了应用。尽管如此，尚有其他形貌的自组装纳米结构有待发现，“纳米卷”就是其中之一。目前，利用单层石墨烯可以制备出石墨烯卷状结构，具有良好的储氢前景。但是，基于分子自组装的卷状纳米结构还尚未见报道。寻找有效的方法，调控表面活性剂等基元的自组装行为，得到卷状纳米结构，在催化、表面处理、功能纳米材料的制备等众多领域有着重要的意义。
[0005]本发明设计了一种调控自组装以得到卷状纳米结构的方法，并采用计算机分子动力学模拟对该方法的可行性进行了验证。通过该方法，可得到多种形状的卷状纳米结构，对于卷状纳米结构的实验制备有重要的指导意义。
【发明内容】
[0006]针对上述技术问题，本发明提供了一种自组装纳米卷状结构的制备方法，首先构建一个带有缺陷的受限孔道，然后将组装基元置于受限孔道中，由受限孔道的诱导作用，所述组装基元首先形成第一层自组装结构，所述第一层自组装结构的首端与尾端不相接；由第一层自组装结构的诱导作用，形成第二层自组装结构，所述第二层自组装结构的首端与第一层自组装结构的尾端连接；逐渐形成多层自组装结构，形成完整的卷状自组装纳米结构。
[0007]进一步的，所述受限孔道是采用平行排列的碳纳米管构建而成。
[0008]进一步的，所述组装基元为嵌段共聚物、双面神纳米颗粒或表面活性剂。
[0009]进一步的，所述受限孔道为圆形、椭圆形或六角形孔道。
[0010]进一步的，所述缺陷长度为3.3-3.6 nm。
[0011]本发明还提供了一种自组装纳米卷状结构的制备方法的模拟方法，具体为:
(1)在MaterialsStud1软件中分别构建粗粒化受限孔道模型及粗粒化组装基元模型，进行粗粒化分子动力学模拟；
(2)将随机分布的组装基元置于受限孔道中，构建初始模型，对初始模型进行几何优化；
(3)对优化后的模型进行分子动力学模拟，形成完整的卷状自组装纳米结构。
[0012]进一步的,所述步骤(I)中粗粒化分子动力学模拟是运用Mesocite模块,模拟力场为Shinoda力场。
[0013]进一步的，所述步骤(2)中对初始模型进行几何优化是采用Shinoda力场，Steepest Descent 及 Smart 算法。
[0014]进一步的，所述步骤(3)中分子动力学模拟采用NVT系综，温度为298 K，时间步长为10 fs,采用Berendsen控温方法,每个模型分别模拟30 ns。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:通过计算机模拟的方法，证实了本发明中自组装纳米卷状结构的制备方法的可行性。通过受限孔道中的缺陷诱导，可以制备出卷状自组装纳米结构。将缺陷引入到不同形状的受限孔道中，可以得到多种形态的卷状自组装纳米结构，可以为纳米材料的制备和生产提供有力指导。
【附图说明】
[0016]图1.本发明的自组装纳米卷状结构的形成过程示意图；
图2.本发明实施例中粗粒化模型构建图；
图3.本发明中受限孔道构建圆形；
图4.本发明中根据受限孔道构建圆形所形成的卷状自组装纳米结构。
【具体实施方式】
[0017]下面结合【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
[0018]本发明是基于空间受限作用，设计了一种因缺陷诱导形成自组装纳米卷状结构的制备方法。其实施方案如下:
(I)构建一个带有缺陷3的受限孔道1，如图1a所示，将具有较高浓度的组装基元2置于该受限孔道中；所述组装基元为嵌段共聚物、双面神纳米颗粒或表面活性剂。
[0019](2)由于受限孔道的诱导作用，在靠近孔道的地方会首先形成第一层自组装结构4，如图1b中虚线所示；由于缺陷的存在，第一层自组装结构的首端与尾端不能相接，而存在一个间隙，该间隙的长度与孔道缺陷长度一致。
[0020](3)在第一层自组装结构的诱导作用下，会逐渐形成第二层自组装结构；同样地，由于缺陷的存在，第二层自组装结构的首端与尾端不相接；但是，调整缺陷长度为某一特定数值，第二层的首端与第一层的尾端会连接起来，形成完整的卷状结构，如图1c所示。
[0021](4)随着时间的推移，自组装过程由外到内逐渐进行，形成多层自组装结构，而且相邻两层之间首尾相接，最终成为完整的纳米卷状结构，如图1d所示。
[0022](5)将类似的缺陷引入到其他形状的受限孔道中，便可得到其他形状的纳米卷状结构，所述受限孔道的形状可以为圆形、椭圆形或六角形孔道等等，如图3所示。
[0023]本发明还通过计算机分子动力学模拟的方法，对上述自组装纳米卷状结构的制备方法进行模拟，具体为:
(1)在MaterialsStud1软件中分别构建粗粒化受限孔道模型及粗粒化组装基元模型，运用Mesocite模块进行粗粒化分子动力学模拟,模拟力场为Shinoda力场；
(2)将随机分布的组装基元置于受限孔道中，构建初始模型，对初始模型进行几何优化，采用Shinoda力场，Steepest Descent及Smart算法,使其能量趋于稳定；
(3)对优化后的模型进行分子动力学模拟