高分子微球材料的發(fā)展對人類的經(jīng)濟(jì)與生活帶來了巨大的影響，已滲透到我們生活中的每個角落，從化妝品、涂料、感光材料等大宗產(chǎn)品到生物醫(yī)藥領(lǐng)域的藥物緩釋微膠囊、色譜分離層析介質(zhì)等高附加價值產(chǎn)品。
高分子微球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)組成是影響其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，乳液聚合是合成高分子微球材料最為經(jīng)典的方法。
問題在于：在聚合過程中由于表面張力的存在，最終導(dǎo)致制備得到的微球趨于自由能最低的球形結(jié)構(gòu)。因此，如何在聚合過程中克服表面張力，合成形態(tài)和化學(xué)組成各向異性的微球是高分子微球合成領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
有鑒于此，中科院理化技術(shù)研究所的王樹濤研究員課題組及科研合作團(tuán)隊，提出了一種普適性的乳液界面聚合方法，制備得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)組成各向異性的Janus微球，打破了傳統(tǒng)乳液聚合只形成球形微球的限制，開辟了乳液聚合的新方向。
圖1. 乳液界面聚合機(jī)理
通過將親、疏水單體同時引入到油水界面體系，構(gòu)筑了水（親水單體水溶液）包油（疏水性單體）的油水界面。在聚合過程中，使聚合發(fā)生在油水界面的某一位點(diǎn)上，以這一活性位點(diǎn)為中心進(jìn)行界面優(yōu)勢生長。調(diào)控界面兩側(cè)水油組分，通過二元協(xié)同的效應(yīng)，就可以制備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)組成精確可調(diào)的各向異性聚合物Janus微球。
圖2. Janus微球的生長過程
在該體系中，疏水性的引發(fā)劑首先在油滴內(nèi)部引發(fā)疏水性單體的聚合，生成一個聚合物活性核。當(dāng)聚合物活性核運(yùn)動到油水界面上時，其表面活性位點(diǎn)能夠引發(fā)水相中的親水單體發(fā)生聚合。從而將聚合物活性核錨定在油水界面上，進(jìn)而發(fā)生界面錨定聚合。親水性單體和疏水性單體在界面的優(yōu)先共聚，最終形成具有親水親油性質(zhì)的各向異性Janus微球。
通過調(diào)節(jié)親疏水單體濃度、聚合時間可實現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的Janus微球的可控制備。這種方法具有非常好的普適性，可適用于各種類型的聚合反應(yīng)體系，例如界面縮聚反應(yīng)、離子聚合、配位聚合等。同時，基于Janus微球獨(dú)特的月牙結(jié)構(gòu)，并利用其親疏水兩面性質(zhì)的不同，可實現(xiàn)不同粒徑微球的分選以及細(xì)菌分離。
圖3. 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物Janus微球
這種方法不僅局限于各向異性的Janus微球的合成，還可以擴(kuò)展到二維Janus膜材料的制備，基于膜兩側(cè)性質(zhì)的差異，可實現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)性形變 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。這種方法為設(shè)計制備新型的聚合物材料提供了新的思路，制備得到的各向異性微球在油水分離、固體表面活性劑、蛋白分離和細(xì)菌分離等方面展示出巨大的應(yīng)用前景。
圖4. Janus微球表面選擇性功能化
中科院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)實驗室的樊俊兵博士為論文的第一作者，王樹濤研究員為該論文的通訊作者。該論文的合作者還包括中科院物理所谷林研究員、吉林大學(xué)呂中元教授和劉鴻博士。
該工作得到了的國家自然科學(xué)基金杰出青年基金，中組部國家“萬人計劃”青年拔尖人才項目，北京市科委計劃項目等的資金支持。
Jun-Bing Fan, Shutao Wang et al. A general strategy to synthesize chemically and topologically anisotropic Janus particles. Science Advances 2017.
