华中科技大学卢兴课题组系统研究了C70分子在液液界面的自组装过程,可控制备了一系列尺寸均一、形貌各异的微纳材料,并深入地探讨了其晶态结构、形成机理和光致发光特性,为相关有机化合物微纳米结构的可控合成及光学性质的探索提供了有益的借鉴(图1)。
图1基于C70的微米立方体、漏斗和十字花柱的扫描电镜图及其稳态和时间分辨荧光光谱图。
富勒烯(Fullerenes,1996年诺贝尔化学奖)是一类由sp2杂化碳原子组成的零维共轭球形分子,具有明确的分子结构和丰富的物理化学性质,吸引了众多科学家的目光。将纳米尺寸的富勒烯分子组装成规则有序的微纳米结构对实现其在功能应用至关重要。作为富勒烯家族的重要成员,富勒烯[C70]具有许多优越的性质,例如良好的光学性质及高的电导率。然而相对于目前被广泛研究的C60微纳材料,较低的分子对称性和合成产率导致外形规则的C70微纳结构很少得到报道。因此,合成新型的微纳结构并揭示形貌与性能之间的构效关系对于C70晶态工程的进一步发展显得尤为重要。
基于此,为了深入了解溶剂环境对C70晶体形成过程的影响,卢兴课题组使用均三甲苯作为良溶剂,正丙醇作为不良溶剂,通过调节C70的浓度和均三甲苯与正丙醇的体积比,可控地制备了一系列形态各异且尺寸均一的C70微晶,包括完美的立方体、有缺陷的漏斗形结构和新颖的十字花柱结构。采用X射线晶体学、红外光谱和热重分析等表征手段系统探究了溶剂分子在不同微纳结构形成过程中的关键作用。结果表明:当晶体中嵌入较多均三甲苯,C70分子倾向于组装成具有简单立方结构的立方体和漏斗。当进一步减少均三甲苯的嵌入量,他们首次获得了具有混合晶型的新型十字花柱,并采用实时SEM观测探索了这类新结构的生长过程。然后,作者使用多种溶剂系统进行了对照实验,发现只有在较高的C70浓度时才能形成漏斗形结构,而与良/不良溶剂的体积比无关。以上结果明确揭示了溶剂嵌入对C70微纳米晶体形貌和形成机制的影响,并发现了漏斗形微晶荧光增强效应,启示了其在光电领域中的潜在应用。