【資料圖】
單分散二氧化硅膠體顆粒在理論研究以及先進(jìn)工業(yè)制造中有著廣泛且不可替代的應(yīng)用。雖然借助傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法在實(shí)驗(yàn)室層面上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不同粒徑單分散二氧化硅膠體顆粒的小批量制備，但是這些實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化時(shí)仍面臨著一個(gè)亟待解決的問題，即如何精確控制二氧化硅膠體顆粒的尺寸以保證批間可重現(xiàn)性，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備給定尺寸的單分散二氧化硅膠體顆粒。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室邱東課題組發(fā)展了一種類似傳統(tǒng)種子乳液聚合的二氧化硅種子生長(zhǎng)策略，通過在水油界面控制前驅(qū)體正硅酸乙酯（TEOS）的水解速率，實(shí)現(xiàn)了水解產(chǎn)物以特定四配位形式在種子顆粒表面的完全沉積?；诖?，他們建立了二氧化硅膠體顆粒最終尺寸與前驅(qū)體用量之間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了投料與產(chǎn)出物的嚴(yán)格可預(yù)測(cè)性。該化學(xué)計(jì)量式種子生長(zhǎng)策略對(duì)二氧化硅膠體顆粒的尺寸具備1 nm級(jí)別的調(diào)控精度。由于該化學(xué)計(jì)量式種子生長(zhǎng)過程對(duì)反應(yīng)溫度、分散相pH以及攪拌速率等制備條件具有較大的容錯(cuò)空間，因此最終得到的二氧化硅膠體顆粒表現(xiàn)出優(yōu)異的批間可重現(xiàn)性。此外，該策略對(duì)種子顆粒的尺寸分布沒有要求，可以選用商品化的多分布二氧化硅膠體顆粒作為種子，實(shí)現(xiàn)特定尺寸單分散膠體顆粒的定制，成本優(yōu)勢(shì)顯著。通過種子生長(zhǎng)過程中前驅(qū)體化學(xué)組分的調(diào)控，研究人員還基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)單分散二氧化硅膠體顆粒表面形貌的精確調(diào)控。得益于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控的化學(xué)計(jì)量式種子生長(zhǎng)策略賦予的優(yōu)異尺寸調(diào)節(jié)精度以及可靠的批間穩(wěn)定性，研究人員通過少量多批次的方式在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了具有特定尺寸以及表面形貌的單分散二氧化硅膠體顆粒公斤級(jí)定制。相關(guān)工作近期發(fā)表于Chem. Eng. J. (2023, 456, 141125)，論文第一作者為孟曉輝助理研究員，通訊作者為邱東研究員。
圖. 化學(xué)計(jì)量式種子生長(zhǎng)策略用于批量定制單分散二氧化硅膠體顆粒
