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房喻教授研究组在“气相传感”“分子凝胶功能化”方面研究取得重要进展

部门:化学化工学院   发布时间:2019-05-09  浏览:

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气相传感方面。近年来,面对高灵敏探测技术的重大需求,气相传感器的创制、研发引起了国际社会的高度重视,特别是在美国政府提出的“电子狗鼻计划”、“真鼻计划”、“Cell-All”和“原子到产品”计划等项目的推动下,相关研究取得了突飞猛进的进展。薄膜基荧光传感器是继离子迁移谱之后,国际公认的有望替代嗅爆犬、缉毒犬和疾病诊断犬的新一代微痕量气相探测技术。而用于气相探测的薄膜基荧光传感器必须立足于高性能荧光敏感薄膜的创制。

在过去的二十年里,房喻教授研究组一直致力于荧光敏感薄膜材料的创制、传感薄膜的器件化以及薄膜器件的阵列化研究工作,发展了一系列荧光敏感薄膜材料,成功研制了爆炸物、毒品等有害物质高性能荧光传感器和探测设备,自主搭建了材料性能评价与原型设备研制共享平台。相关产品在十九大、G20峰会、博鳌论坛、港珠澳大桥开通典礼、外国元首接待,以及中央军委、乌干达总统府、深圳地铁等重大活动或重要场所安全保卫中发挥了重要作用,最近相关产品开始列装部队。

在高性能敏感薄膜材料取得系列重要研究进展(Chem. Sci.,2018,9, 1892;Nature Commun.,2018,9, 1695;ACS Appl. Mater. Interfaces,2018,10, 35647;Anal. Chem.,2018,90, 14088; Chem. Commun.,2018,55, 941;Adv. Mater. Technol.,2019, 1800644;Adv. Mater. Technol.,2019, DOI: 10.1002/ admt.201900109.)的基础上,房喻教授小组与美国犹他大学的Peter J. Stang教授合作,借助其定向配位构筑超分子复合物的策略制备了一系列具有荧光活性的金属配位大环,大环的形成赋予了荧光单元一系列优异的性质:(1)与配体相比较,金属配位显著阻碍了具有大共轭结构的配体间的芳香聚集,极大的增加了配体的溶解性;(2)通过连接臂替换实现了大范围调控体系的荧光行为;(3)与配体相比较,硅胶板担载金属配位大环的荧光量子产率获得显著提升;(4)硅胶板担载金属配位大环薄膜荧光性质对芳香胺的存在十分敏感。利用大环形成带来的独特优势,本工作成功发展了一套灵敏度高、响应速度快、回复时间短,且可长时间稳定使用的薄膜基芳香胺荧光气相传感器。该工作近期在化学领域顶级期刊上全文发表(J. Am. Chem. Soc.,2019,141, 1757,影响因子14.357),论文第一作者为我校应用表面与胶体化学教育部重点实验室博士研究生常兴茂同学,房喻教授与Peter J. Stang教授为共同通讯作者,陕西师范大学为第一署名单位。

文章链接https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b12749

分子凝胶功能化方面。凝胶类软物质是房喻教授团队长期坚持的另一个重要研究方向。在该领域,团队率先将分子凝胶引入推进剂的研制,解决了高分子基凝胶推进剂因剪切粘度过高而影响雾化燃烧这一航天界公认的难题,“为新一代凝胶推进剂的研制奠定了坚实基础(相关项目鉴定语)”。在高能量密度材料研究领域,应用分子凝胶技术解决了严重制约该类材料制备和应用的悬浮体系稳定化这一“卡脖子”问题,“在国内率先提出了多相云爆剂凝胶化思想,研制了相应的稳定剂,建立了公斤级多相云爆剂,为我国高能材料制备技术进步做出了突出的贡献(相关项目鉴定语)”。

在分子凝胶研究领域,房喻教授团队培养了我校唯一的一位理工科全国百篇优秀博士论文奖获得者。

以分子凝胶为介质开展结晶研究是分子凝胶领域新近发展起来的一个重要研究方向。该方法通常将一定量待结晶物与小分子胶凝剂混合在合适溶剂中加热完全溶解,冷却形成凝胶后恒温保持至结晶完成为止。与溶液介质不同,小分子胶凝剂通过超分子弱相互作用自组装形成的三维网络结构使包含其中的溶剂整体丧失流动性,减少了溶剂扩散或对流对晶核形成的影响,降低了晶核沿容器壁随机生长的几率,客观上为结晶过程提供了更为稳定的介质环境。此外,小分子组装体具有类似晶体结构的局部有序性,可为化合物晶核形成提供类似“母晶”衍生“子晶”的活性表面。分子凝胶具有可设计性强、胶凝溶剂宽泛、凝胶力学性能可调与刺激相变可控等优点,可为有机或无机化合物提供更为丰富的结晶介质(Langmuir, 2016, 32, 12805; Soft Matter, 2017, 13, 8609.),在半导体晶体可控生长与固体药物晶型控制等方面具有潜在的应用价值,是分子凝胶功能化方面的又一重要发展方向。

近期,房喻教授课题组利用分子凝胶三维网络结构的空间限域效应及反溶剂诱导富勒烯晶核形成策略,成功实现了一维富勒烯晶体的可控生长(直径与长度可控,Adv. Mater., 2019, 31, 1808254,影响因子21.95)。该研究工作通过改变胶凝剂浓度、富勒烯浓度、反溶剂种类等因素有效调节富勒烯、溶剂与反溶剂在分子凝胶介质中的传质速率,抑制了溶剂扩散或对流对晶核形成的影响,显著降低了富勒烯晶核沿凝胶纤维三维网络结构随机生长的几率,成功实现了一维富勒烯晶体在凝胶介质里沿反溶剂渗透的方向生长,富勒烯晶体的长度(L)及长度直径比(L/D)均可根据实际需要实现有效调控(L可长达 70 mm,L/D可高达70, 000)。

在晶体可控生长的基础上,课题组与华中科技大学翟天佑教授团队合作系统考察了富勒烯一维晶体的光电性能。研究结果表明富勒烯晶体表现出优异的光电性能与良好的稳定性(响应度:2595.6 mA W−1;探测率:2.7 × 1012Jones;开关比:540;量子效率:800%;稳定性:不低于6个月),进一步证实了凝胶结晶法在高质量晶体培养中的突出优势,为后续相关研究奠定了坚实基础。

该研究工作不仅是分子凝胶功能化的一项重要突破,同时也为高质量一维有机半导体晶体的可控生长提供了又一新型有效的方法。该论文共同通讯作者为刘凯强博士、翟天佑教授与房喻教授,陕西师范大学为第一署名单位。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808254

以上研究受到了国家自然科学基金委员会、“111”引智计划和中央高校自主科研经费等的支持。

作者合影

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