從綜合實驗教學到科研素質(zhì)培養(yǎng)

林乃波 張建英

摘要：大學四年級是學生培養(yǎng)科研素質(zhì)的關鍵時期。以綜合實驗粒徑可控單分散高分子微球的制備及其自組裝光子晶體結(jié)構(gòu)色為例，介紹了在高分子專業(yè)綜合實驗教學中通過模擬科研步驟與過程，讓學生潛移默化地提高科研素質(zhì)的教學嘗試。

關鍵詞：綜合實驗；科研素質(zhì)；生物仿生

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0263-02

在本科生結(jié)束所有專業(yè)實驗后，畢業(yè)論文設計實驗開始之前，很多高校開設了大學綜合實驗，該課程將引領本科生正式進入科學研究的道路。綜合實驗涵蓋了大學階段所學的重要實驗方法和技術(shù)，是學生的科研素質(zhì)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。我們結(jié)合高分子材料專業(yè)學生的基礎知識與廈門大學軟物質(zhì)與生物仿生研究院的特色研究方向，設計了粒徑可控單分散高分子微球的制備及其自組裝光子晶體結(jié)構(gòu)色。這不僅綜合運用了高分子化學實驗技術(shù)，而且以合成絢麗多彩的蛋白石結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為目標，有效激發(fā)了學生的科研興趣，潛移默化地提高了學生的科研素質(zhì)。

一、教學步驟

本實驗模擬科研項目研究過程，設計了如下環(huán)節(jié)。

1.實驗準備和講解。閱讀相關中英文文獻和實驗大綱，自行設計基本的實驗步驟，小組討論后與指導教師共同確定實驗計劃。

2.制備過程。本實驗采用無皂乳液聚合制備不同粒徑聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球，利用重力自組裝和垂直沉淀組裝法制備不同顏色光子晶體，比較不同組裝方法對光子晶體質(zhì)量的影響。

3.表征。高分子微球組分：紅外光譜（FTIR）可以對高分子微球的分子結(jié)構(gòu)與組分進行表征。形貌：采用掃描電子電鏡（SEM）觀察樣品在微觀尺度上的形貌，觀察光子晶體的組裝情況。粒徑：動態(tài)光散射（DLS）可以測得微球的大小和粒徑分布，SEM以觀察并統(tǒng)計計算微球的粒徑大小及分布。光子晶體光學性質(zhì)：紫外可見分光光度計可以表征光子晶體的反射性質(zhì)。

4.實驗總結(jié)。通過小組討論，以公開答辯和撰寫綜合實驗論文的方式，分析和講述實驗結(jié)果。

二、實驗目的

光子晶體結(jié)構(gòu)色在生物中廣泛存在，如蝴蝶的翅膀，孔雀的羽毛等[2-4]。本實驗將利用高分子微球自組裝方法制備光子晶體結(jié)構(gòu)色，模仿生物光子晶體結(jié)構(gòu)色。具體實驗目的如下：

1.掌握無皂乳液聚合的方法制備單分散粒徑大小可控的高分子微球原理，通過改變共聚單體的量，制備不同粒徑的微球。

2.通過對高分子微球進行自組裝，了解微球自組裝原理，掌握高分子微球自組裝方法。

3.掌握自組裝高分子微球光子晶體的結(jié)構(gòu)及性能表征方法。

三、實驗步驟

1.聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球的制備。本實驗采用無皂乳液聚合制備不同粒徑聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球，聚合以過硫酸銨為引發(fā)劑，去離子水為分散介質(zhì)，氮氣為保護氣體，機械攪拌為300轉(zhuǎn)/分鐘（rpm），通過改變丙烯酸的添加量控制微球粒徑大小。

由于苯乙烯容易自聚，在運輸過程中需要加入阻聚劑，購買來的苯乙烯需精制。苯乙烯的沸點為145.2℃，為了防止在高溫下苯乙烯自聚，需采用減壓蒸餾，減壓可降低苯乙烯的沸點。具體實驗步驟如下：安裝減壓蒸餾系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)漏氣情況，方法是：關閉安全瓶上閥門，開始減壓，壓力穩(wěn)定后，夾住連接減壓泵的橡皮管，觀察壓力計所示系統(tǒng)壓力是否減小，沒有減少表示系統(tǒng)密閉性好。加入不要超過蒸餾瓶的一半苯乙烯，開動油泵，調(diào)節(jié)毛細管導入的空氣量，以能冒出一連串小氣泡為宜。當壓力穩(wěn)定后，開始加熱。液體沸騰后，應注意控制溫度，并觀察沸點變化情況。待沸點穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)動多尾接液管接受餾分，蒸餾速度以0.5～1滴/秒為宜。蒸餾完畢，除去熱源，慢慢旋開夾在毛細管上的橡皮管的螺旋夾，待蒸餾瓶稍冷后再慢慢開啟安全瓶上的活塞，平衡內(nèi)外壓力，然后才關閉抽氣泵。

聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球的聚合首先在500mL的四頸瓶中依次加入184mL去離子水、20g苯乙烯、不同量的丙烯酸（2.0g，2.2g，2.4g，2.6g，2.8g），通入氮氣除去反應體系中的氧氣，機械充分0.5小時混合后，開始升溫。升溫至70℃，將0.1g引發(fā)劑過硫酸銨溶解于4mL去離子水中，分別用2mL去離子水潤洗燒杯二次，用10mL注射器將8mL過硫酸銨溶液快速注入四頸瓶中。反應7h后，冷卻至室溫。在得到的乳液中加入少量的氯化鈉固體，震蕩搖勻后，在13000r/min的轉(zhuǎn)速下離心15min，倒掉上層清液，加入與上層清液體積相同的去離子水，超聲震蕩至沉淀完全溶解，再次離心，重復上述操作2次，得聚P（St-co-AA）微球。該實驗根據(jù)丙烯酸的添加量不同，共分5組，得五組不同粒徑高分子微球。

從乳液聚合角度解釋丙烯酸添加量對微球粒徑影響的原理。寫出實驗過程中遇到的問題，提出解決辦法，并總結(jié)經(jīng)驗。

2.不同粒徑聚苯乙烯-丙烯酸微球自組裝。采用重量法測定固含量。取出1.5mL左右的洗滌后的乳液放入到130℃烘箱中10h，得干膠。按下式計算固含量：

C%=■×100

W0為稱量瓶；W■為乳液+稱量瓶；W2為干膠+稱量瓶。需平行測定3個樣品，將測得固含量取平均值。

玻璃片處理：將26×26cm和76×26mm玻璃片放入去離子水中超聲20min，用乙醇溶液沖洗干燥后，放入濃硫酸和過氧化氫（體積比為70：30）的混合溶液中浸泡一夜。玻璃片放入去離子水超聲30min，用去離子水沖洗，放入烘箱內(nèi)烘干備用。

重力自組裝：取含有20mg微球乳液5組分別滴加在親水表面26×26cm（處理后的玻璃片）和疏水表面（聚苯乙烯）的載體上組裝，觀察并表征微球組裝成光子晶體的情況。

垂直沉積法：將200mL的燒杯中加入150mL微球乳液，將76×26mm的玻璃片懸置于乳液中，用提拉儀勻速提拉。觀察并表征微球組裝成光子晶體。

比較分析重力自組裝和垂直沉積法制備光子晶體的各自優(yōu)缺點，并從組裝原理上加以解釋。

3.結(jié)構(gòu)及性能表征。動態(tài)光散射（DLS），將所制得的聚苯乙烯-丙烯酸乳液加去離子水稀釋至澄清，超聲振蕩均勻，在粒徑分析儀（如：MalvernNano-zs）上進行測試。傅立葉變換紅外光譜（FT-IR），采用紅外衰減全反射法（ATR）附件測試。紫外可見分光光度計，采用積分球反射附件測試，分析光子晶體光子帶隙的波長范圍，掃描波長范圍為900nm～300nm。掃描電子顯微鏡測試（SEM），將所制備的光子晶體用導電膠黏在樣品臺上，在SCD005（spulter coater）噴金機噴金處理，噴金電流為61 mA，噴金時間為40s，真空度為10-1mbar。采用德國LEO-1530場發(fā)射高分辨掃描電鏡對樣品形貌進行觀察，電鏡真空度為2.04×10-7mbar，加速電壓為20kV。

四、教學總結(jié)

本綜合實驗課程的教學難點是培養(yǎng)學生的科研綜合能力，重點是讓學生掌握科研實驗的流程，培養(yǎng)學生組織管理科研實驗的能力。學生通過粒徑可控單分散高分子微球的制備及其自組裝光子晶體結(jié)構(gòu)色，初步掌握了文獻調(diào)研、實驗計劃與安排、無皂乳液聚合和高分子微球自組裝、分析實驗結(jié)果、撰寫科研實驗報告以及口頭匯報實驗結(jié)果的能力。同時，學生鍛煉了在實驗過程中相互協(xié)調(diào)及配合的能力，總體達到了教學的目標。但是學生在實驗過程對基本操作不熟練，缺少嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，極少部分學生不積極努力解決實驗過程中遇到的問題，實驗態(tài)度不端正。

問題、建議及今后須注意的問題。進入第四學年的專業(yè)課學習，部分學生迫于就業(yè)、考研、考公務員等等的壓力，精力有所分散，但是學生中還是有相當一部分學生樂于學習，表現(xiàn)在實驗教學過程中聽講認真，文獻調(diào)研及實驗操作認真。應該將這種態(tài)度帶到以后的本科畢業(yè)論文中。

參考文獻：

[1]舒紅英，吳光輝，周韋.正交實驗法引入應用化學綜合實驗[J].南昌航空工業(yè)學院學報（自然科學版），2006，20（1）：46-48.

[2]X.Y.Liu.Bioinspiration from nano to micro scales[M].New York：Springer，2012.

[3]D.H.Everett，Basic Principles of Colloid Science[M].London：Royal Society of Chemistry，1988.

[4]林乃波，吳振玉，徐洪耀，張超.單分散熱穩(wěn)定有機/無機雜化修飾苯乙烯微球的制備及形成機理[J].高分子材料科學與工程.2009，25（4）：133-136.