儀器分析在光響應(yīng)智能材料研究中的應(yīng)用

張焱 聶錦梅 于文雅 李文霞 唐川江 劉振東 聶倩

[摘 要] 由于光響應(yīng)智能材料的結(jié)構(gòu)性能的表征主要靠多種精密分析儀器技術(shù)，所用的實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)比較分散，本科生或研究生比較全面的查閱和學(xué)習(xí)這些技術(shù)比較困難。文章旨在介紹通用于光響應(yīng)智能材料的基本分析技術(shù)，以應(yīng)用實(shí)例重點(diǎn)闡述這些儀器分析技術(shù)在光響應(yīng)智能材料分析中的特點(diǎn)和有效應(yīng)用范圍，為研究人員在今后相關(guān)研究中提供表征方法上的指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞] 現(xiàn)代儀器;光響應(yīng);智能材料;分析方法

[中圖分類(lèi)號(hào)] TB303? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0312-02? ? [收稿日期] 2019-11-27

目前光響應(yīng)智能材料是材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題，對(duì)光響應(yīng)智能材料的結(jié)構(gòu)、性能及光響應(yīng)機(jī)制的研究還有一定的局限性;因此，有目的有意識(shí)地采用各種新型精密分析儀器并創(chuàng)造性地揭示光響應(yīng)材料的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)光響應(yīng)智能材料的發(fā)展有很重要的意義。

光響應(yīng)材料的研究主要包含材料的制備、表征和性能研究，這三部分內(nèi)容相輔相成。材料的制備方法決定材料的結(jié)構(gòu)，從微觀(guān)上掌握材料本身的結(jié)構(gòu)特征，才能更清楚地解釋材料表現(xiàn)出的特性。本文從教學(xué)和科研工作者的實(shí)際需要出發(fā)，圍繞光響應(yīng)智能材料研究領(lǐng)域中涉及的最常用的分析儀器，如核磁共振波譜、紫外可見(jiàn)光譜、紅外光譜等，就分析方法的應(yīng)用特點(diǎn)和對(duì)樣品的要求、譜圖能提供的信息及應(yīng)用范圍進(jìn)行簡(jiǎn)明扼要的闡述。

一、分子光譜法

分子光譜是由分子中的電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化產(chǎn)生的，用分子光譜法對(duì)光響應(yīng)智能材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征，可以掌握材料元素組成、微觀(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)及材料的光響應(yīng)特性，是這類(lèi)材料分析中的重要研究手段。

（一）紅外吸收光譜法（IR）

紅外光譜主要是提供材料的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)信息。紅外光譜圖的橫坐標(biāo)表示吸收峰的位置，縱坐標(biāo)表示透過(guò)率，根據(jù)吸收峰位置、形狀和強(qiáng)度可進(jìn)行定性分析，推斷未知物中可能存在的官能團(tuán)，根據(jù)吸收峰的強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。紅外光譜是材料學(xué)研究中的一個(gè)很有成效的工具，不僅可以鑒定未知材料結(jié)構(gòu)，還可以剖析材料中添加劑、助劑等成分。趙利華[1]等采用紅外光譜儀表征俘精酸酐光致變色材料的結(jié)構(gòu)，在1790-1810 cm-1和1740-1760 cm-1，有很強(qiáng)的羰基伸縮振動(dòng)，前者為不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，而后者為對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，這說(shuō)明具有典型俘精酸酐的環(huán)狀酸酐的結(jié)構(gòu)特征。紅外光譜作為一種環(huán)境友好的快速分析儀器正在被越來(lái)越多的分析工作者認(rèn)識(shí)和使用，并且仍處在不斷完善中。

（二）紫外可見(jiàn)分光光度法（UV-Vis）

紫外可見(jiàn)分光光度法是利用物質(zhì)分子對(duì)波長(zhǎng)在200～900 nm范圍的電磁波的吸收特性所建立起來(lái)的一種定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。紫外可見(jiàn)分光光度法作為一種操作簡(jiǎn)便、分析快速、準(zhǔn)確度高和重現(xiàn)性好的儀器分析方法，在光響應(yīng)智能材料的性能表征領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，尤其在光致變色材料的變色性能表征方面，紫外可見(jiàn)分光光度法使用最為廣泛。Heller[2]等人利用紫外可見(jiàn)分光光度法研究了一系列呋喃基取代的俘精酸酐，主要測(cè)定其吸收光譜，發(fā)現(xiàn)取代基較大的位阻有利于呈色體的吸收光譜發(fā)生紅移;同時(shí)發(fā)現(xiàn)溶劑對(duì)俘精酸酐及其呈色體的吸收光譜也有影響，消色體在正己烷中的最大吸收是337nm，而在乙醇中則為346nm，且隨著溶劑極性的增大，俘精酸酐呈色體的最大吸收發(fā)生紅移越顯著。紫外可見(jiàn)分光光度法不僅可以測(cè)定光響應(yīng)材料對(duì)光的吸收特性和變色性能，還可以表征材料的抗疲勞性能和熱穩(wěn)定性。

（三）核磁共振波譜法（NMR）

NMR是未知物結(jié)構(gòu)分子中很有用的一種方法，它可以表征有機(jī)小分子的微觀(guān)分子結(jié)構(gòu)，也可以測(cè)定共聚物的組成。但在一般的NMR測(cè)試中，試樣多為要溶解到氘代試劑中，這使高分子材料的研究受到限制。而固體高分辨率核磁共振波譜法，可直接測(cè)定高分子固體試樣。NMR方法中，常用的是1H-NMR譜和13C-NMR譜。利用這兩種譜很容易確定分子的組成，碳?xì)滏I和碳碳鍵的連接方式，空間結(jié)構(gòu)及碳的骨架結(jié)構(gòu)等，也可以通過(guò)H的積分面積測(cè)定各基團(tuán)的定量結(jié)果或共聚物組成。何帥[3]等人采用安捷倫400MHz核磁共振波譜儀，CDCl3作溶劑，研究了自制的偶氮苯改性聚乙二醇光響應(yīng)材料，其H譜數(shù)據(jù)特征的表明，在化學(xué)位移為8.12～7.51出現(xiàn)偶氮苯中苯環(huán)上的氫的特征峰，化學(xué)位移為3.65和3.48處出現(xiàn)了和氧相連的亞甲基的特征峰，從而證明偶氮苯改性聚乙二醇的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)苯環(huán)上氫的積分面積和亞甲基氫的積分面積比來(lái)確定偶氮苯在聚乙二醇上的量。

二、電鏡法

（一）掃描電鏡法（SEM）

掃描電鏡是采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序、成比例的轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，完成一幀圖像，從而使我們?cè)跓晒馄辽嫌^(guān)察到樣品表面的各種特征圖像。掃描電鏡法（SEM）主要用于觀(guān)察小至幾十納米大小的微粒;觀(guān)察物質(zhì)的表面形貌、結(jié)晶形態(tài)、粒度、表面粗糙度和凹凸情況等;一般掃描電鏡均配有能譜儀，可以在觀(guān)察表面形貌的同時(shí)，進(jìn)行選區(qū)成分分析。主要優(yōu)點(diǎn)是樣品制備簡(jiǎn)單，對(duì)樣品的厚度無(wú)特殊要求，電子束對(duì)樣品的損傷與污染程度較小，圖像放大范圍廣，測(cè)試價(jià)格相對(duì)便宜。通過(guò)掃描電鏡法觀(guān)察光響應(yīng)智能材料的表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)。

（二）透射電鏡法（TEM）

透射電子顯微鏡（TEM）可以進(jìn)行內(nèi)部形貌觀(guān)察、晶體結(jié)構(gòu)分析，特別是微區(qū)（微米、納米）的像觀(guān)察和結(jié)構(gòu)分析，可以得到原子尺度的像，在看到表面圖像的同時(shí)也看到內(nèi)層物質(zhì)。透射電鏡的樣品厚度一般為10～100 nm，且觀(guān)測(cè)范圍僅為10 mm量級(jí)。TEM相較于SEM，主要的優(yōu)點(diǎn)是分辨率更加出色，能觀(guān)測(cè)到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu);主要缺點(diǎn)是制樣麻煩，檢測(cè)費(fèi)用高。

三、熱分析法

熱重分析法（TG）用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分，可準(zhǔn)確地測(cè)量受熱時(shí)物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。用于高分子材料熱穩(wěn)定性的評(píng)定;高分子材料的共聚物和共混物分析;高分子材料中揮發(fā)物的分析;高分子材料中水分（含濕量）的測(cè)定等。差熱分析法（DTA）是在一定實(shí)驗(yàn)溫度下不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)和物理變化的穩(wěn)定物質(zhì)（參比物），與等量的未知物在相同環(huán)境中等速變溫的情況下相比較，未知物的任何化學(xué)和物理上的變化，與和它處于同一環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)物的溫度相比較，都要出現(xiàn)暫時(shí)的增高或降低。降低表現(xiàn)為吸熱反應(yīng)，增高表現(xiàn)為放熱反應(yīng)。DTA法主要用來(lái)測(cè)定高聚物的物理特性，如測(cè)定高聚物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;高聚物材料在空氣和惰性氣體中的受熱情況;聚合物材料純度的測(cè)定等。TG和DTA兩者一般聯(lián)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代儀器分析技術(shù)具有分析速度快、樣品用量少、精密度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，它在材料分析領(lǐng)域中已得到十分廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)工作者對(duì)光響應(yīng)智能材料研究的不斷深入，改進(jìn)和完善現(xiàn)有的儀器分析技術(shù)，綜合運(yùn)用各種儀器分析方法，將有力地推動(dòng)光響應(yīng)智能材料的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]趙利華.3-吲哚基俘精酰亞胺的合成和性能研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所碩士論文.

[2]Heller H.G.，Oliver S.，Photphysics，photochemistry and kinetics of photochromism of a furylfulgide.Chem.Phys.Letts.[J].1990，171，553-557.

[3]何帥，李陽(yáng)，崔春光，王聰，王雪芬，羅斌，高宇航，光響應(yīng)聚合物的制備及其光學(xué)性能研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2014，40（5），690-695.