Monodispersed colloids are one of the cornerstones of nanoscience and nanotechnology due to their well-defined dimensions and functional properties. Among colloidal materials, polymeric particles and silica particles are the most versatile ones given its ease of preparation, precursor availability and low point of zero charge (pzc) in water.
The factor that makes these colloidal materials having various potential applications such as: photonic crystals, inverse opals, soft lithographic techniques, etc. is their monodispersity. Thus, so many researchers have dedicated for improving the technique to control the size and size distribution of colloidal particles. Even though various methods to synthesize monodispersed colloidal particles in a wide range of from nano-scale to micro-scale have been reported, a number of apparent drawbacks of being multistage synthesis, difficult in controlling size and monodispersity of particles or using complicated equipments for reactors are still remained.
In this study, we researched on the two most common colloids in nanoscience - Polystyrene and silica colloidal particles. A simple modified dispersion polymerization of styrene which can be used to synthesize highly monodispersed polystyrene particles and to control precisely the size from 500nm up to 2000nm will be presented. The dispersion polymerization thanks to the dual function of Ammonium persulfate in initiating the polymeric radical and stabilizing PS particles. We also introduced a convenient method using anionic surfactants (Sodium p-Toluene Sulfonate (SpTS), Sodium Styrene Sulfonate (SSS), and Sodium Methacrylate (SMA)) to control the size of silica particles from 150nm up to 1000nm with high monodispersity.
We also presented the fabrication of colloidal crystals and their inverse opals using polystyrene colloidal particles. A new facile fabrication of 2-D inverse opals from their 3-D colloidal crystals will be reported. The method employed the thermal expansion of silica sol/gel precursor which was infiltrated to the colloidal crystals. The use of silica precursor which has been stored in very low temperature $(-40^\circ C)$ and a hot air flow having a temperature of $50^\circ C$ in dipping method gave us a direct way to get 2-dimensional inverse opals.
These opals have been used to research on the phase separation and morphology of PS-b-PMMA block copolymer in confined spaces. This is a premise to use inverse opals as a template for molding block copolymer and fabricating nano-patterns by selectively removing one block.
단분산 콜로이드 입자는 균일한 크기를 가지며 표면에 기능성을 부여할 수 있기 때문에 나노 과학 기술의 기초가 된다. 콜로이드 입자들 중에 고분자 콜로이드 입자와 실리카 콜로이드 입자는 쉬운 제조방법, 다양한 전구체와 낮은 영전하점을 가지고 있어 가장 다양하게 사용된다.
콜로이드 입자를 광결정, 역전된 오팔, 소프트 리소그래피와 같은 다양한 응용분야에 사용하기 위한 중요한 요인은 콜로이드 입자의 단분산성이다. 따라서 콜로이드 입자의 사이즈와 그 분포를 조절하는 기술을 향상시키는데 많은 연구가 진행되고 있다. 비록 나노에서 마이크로 스케일까지의 단분산 콜로이드 입자를 합성하는 많은 방법이 보고되었지만, 아직까지 몇몇 단계적인 합성법의 약점, 사이즈와 단분산 조절 혹은 복잡한 기기 사용의 어려움이 남아있다.
본 논문에서는, 나노 과학에서 많이 사용되는 콜로이드 입자인 폴리스티렌과 실리카 콜로이드 입자의 합성에 관하여 연구하였다. 500nm에서 2000nm까지 정확하게 사이즈 조절된 단분산 폴리스티렌 합성에 쓰일 수 있는 간단한 개선된 분산중합 방법을 소개하려고 한다. 분산중합은 과황산암모늄의 고분자 라디칼 반응을 개시하고 폴리스티렌 입자를 안정화시키는 두 가지 기능을 가진다. 또한 음이온 계면활성제(Sodium p-Toluene Sulfonate (SpTS), (Sodium Styrene Sulfonate (SSS), Sodium Methacrylate (SMA))를 사용하여 150nm에서 1000nm의 단분산 실리카 입자의 크기를 조절하는 간편한 방법을 소개하려고 한다.
그리고 폴리스티렌 콜로이드 입자들을 사용하여 콜로이드 결정과 그 역전된 오팔 구조 제작에 대해 소개하려고 한다. 3차원 콜로이드 결정으로부터 2차원 역전된 오팔 구조를 제작하는 손쉬운 제작 방법을 소개할 것이다. 이 방법은 콜로이드 결정 안에 스며들게 한 실리카 졸/겔 전구체의 열적팽창을 이용한 것이다. 매우 낮은 온도 $(-40^\circ C)$ 에 보관됐던 실리카 전구체를 사용하여 담금법을 할 때 $50^\circ C$ 의 뜨거운 공기를 불어주게 되면 바로 2차원의 역전된 오팔을 얻을 수 있다.
이 오팔 구조는 제한된 공간 내에서의 블록 공중합체(PS-b-PMMA)의 상분리와 모폴로지를 연구하는 데 사용된다. 이는 역전된 오팔을 주형으로 사용하여 블록 공중합체의 형태를 만들고 한 블록의 선택적인 제거를 통해 나노 패턴을 제조할 수 있다.
