单壁碳纳米管与热可逆嵌段共聚物的功能化及其小角中子散射表征

本实验的总体目标是在水溶液中制备并表征含有热响应封装层的碳纳米管基纳米颗粒。该方法有助于回答纳米结构工程领域中的关键问题，例如如何制备响应性纳米颗粒，并原位研究外部刺激所引发的其纳米尺度结构的变化。该方法可为基于化学组装的智能纳米结构单元的构建提供深入见解。

该方法也可应用于由不同类型的碳酸化纳米颗粒和嵌段共聚物组成的其他体系。开始此操作时，将0.175克泊洛沙姆407粉末加入70克重水（deuterium oxide）中。然后使用磁力搅拌器搅拌30分钟至1小时，使聚合物完全溶解于溶液中。

分别将 0.01 克单壁碳纳米管粉末加入 250 毫升锥形离心管中。然后向每根管中加入 31.6 毫升泊洛沙姆 407 溶液。随后，通过涡旋振荡混合每根管中的悬浮液，持续 5 至 10 分钟。

完成后，将1号试管放入水浴中，并使用夹具支架固定。将超声波破碎仪的探针尖端浸入1号试管的悬液中。逐渐增加超声功率，从0%开始，直至试管底部沉积的碳纳米管因超声波探针尖端传播的超声作用而开始破碎并分散。

将悬浮液置于水浴中作为温度控制环境，保持悬浮液温度低于25摄氏度，在20摄氏度下超声处理60分钟。随后，将两支试管中的粗悬浮液在20摄氏度下以9800 × g离心两小时。离心后，分别从上清液顶部转移15毫升至新的试管中。

将0.015克5-甲基水杨酸（5-MS）溶解于2号管的上清液中，并将此混合物标记为样品2。将含有1号管上清液的试管标记为样品1。向非晶态cord-span-jo小室中各加入0.3毫升的每种样品。

将盖子盖在两个样品池上，并用胶带牢固地缠绕盖子以密封。随后，将其中一个已密封的样品池置于铝制样品池夹具的垫片之间，组装铝制班卓型样品池夹具。将组装好的样品池分别装入EQ-SAN样品托盘的不同样品位置。

在样品列表表单上列出桨叶的样品位置。在PI-DAS控制窗口中加载并运行实验脚本以开始测量。进行原子力显微镜（AFM）测量时，将样品一管中的0.1毫升溶液与1.9毫升去离子水混合。

接下来，将一块洁净的硅片放置在旋涂仪上。使用真空吸附固定硅片位置。将旋转速度和运行时间分别设置为1500转/分钟和60秒。

用稀释后的样品润湿晶圆的暴露表面，然后开始旋转涂覆。完成后，关闭真空泵，并将已编码的晶圆从旋转涂覆仪中取出。

此时，使用双面导电碳胶带将旋涂编码晶圆固定在铁盘上。将铁盘移至扫描仪曝光区域的边缘附近，然后将铁盘向中心滑动，直至其底面完全覆盖扫描仪的顶部表面。

随后，将扫描探针显微镜（SPM）探头安装到扫描仪上，并插入电缆。在计算机上打开仪器供电控制软件，在系统配置窗口中选择轻敲模式。接下来，通过调节光学显微镜的粗调和微调旋钮，并移动X和Y光学载物台，将悬臂探针置于监视器窗口的中心位置。

通过调节SPM探头上的激光对准旋钮来对准激光。先将红色激光点大致对准悬臂，然后根据显示器上显示的光点轨迹，将激光点移动到悬臂尖端的中央位置。激光对准完成后，使用光电探测器调节旋钮对准探测器。

粗调旋钮，使SPM探头上的四个红色LED灯熄灭。然后微调旋钮，直至激光对准窗口中的粉红色反射光斑位于中心位置，且四象限光电二极管信号的总和大于至少两伏特。在悬臂梁调谐窗口中使用自动调谐功能对悬臂梁进行调谐。

然后在 0 到 1000 千赫兹的频率范围内运行自动调谐。接着，通过调节聚焦旋钮，使晶圆表面进入显微镜的焦平面。当晶圆表面清晰聚焦后，点击工具栏上的“engage”按钮。

在弹出窗口中选择扫描尺寸、采样数和扫描速率。开始扫描。如果粒子与基底背景之间的对比度过低，导致无法从扫描图像中清晰识别粒子的形状和边界，则逐步调整比例增益、积分增益和垂直偏转值。

测量结束后，最终断开探头。通过改变温度或添加5-MS添加剂，功能化单壁碳纳米管悬浮液的SANS散射强度在中等Q区域向较高Q值方向移动，并在高Q区域出现一个新峰。温度调控和添加5-MS所引起的变化源于碳纳米管表面泊洛沙姆407包覆层的结构变化。具有核-壳圆柱结构的泊洛沙姆-碳纳米管纳米棒，在室温下由泊洛沙姆407形成的球形胶束包覆，随着温度升高转变为由致密的圆柱状泊洛沙姆407层包覆，从而发生结构转变。

在结构转变过程中，半径为回转半径45埃的球形泊洛沙姆407胶束转变为一组单链团簇，更紧密地围绕在碳纳米管核心周围，其回转半径为30埃。尽管原子力显微镜（AFM）图像仅显示了不含水的泊洛沙姆-碳纳米管纳米棒的干燥形貌，但它们仍提供了碳纳米管解束与分散以及纳米棒长度分布的证据。该方法可应用于不同类型的纳米颗粒与嵌段共聚物的组合，以制备多种响应性纳米结构单元。

通过该实验流程，还可进一步采用冷冻电镜或分子动力学模拟等方法，以探究聚合物层在溶液状态下的真实空间结构以及与结构变化相关的详细基础物理机制。希望本视频已充分展示小角中子散射技术在溶液样品原位纳米结构表征中的重要作用。我们也期待更多科研人员前往散裂中子源（SNS）开展各类中子散射实验。