Polymer brushes have been used for assemblies of macromolecules which are tethered to the surface that possess proper chemical and physical properties. For nanoparticle surfaces, the polymer brushes are typically bound through covalent attachment or physical adsorption. When the materials with heterogeneous structure are formed from combining different components, their properties may rely on the characteristics of the com-ponents and the degree of dispersion. Here, we developed a model system of polymer coated metal nanoparti-cles with controlled sizes or aspect ratios and a uniform size distribution and employed these nanoparticles for two application fields, such as compatibilizers and catalysts.
Incorporation of nanoparticles in polymer matrices is a field of particular interest for materials engineering and the study of nanoparticle-matrix interaction. A desirable approach would involve the blendind of pre-made nanoparticles into pre-synthesized polymer. The precise control of the particles at the interface exhibits surfactant-like properties, and thus this approach for compatibilizers to locate nanoparticles at the interface in the immiscible polymer blended system can be successfully carried out by tuning the surface properties of nanoparticles with attachment of the polymer ligands to their surface. We prepared polytriphenylamine (PTPA) whose derivatives have useful properties in electrical conductivity and electroluminescence, and they are used as hole transporting materials (HTMs) in dye-sensitized solar cells (DSSCs) and organic light-emitting diodes (OLEDs). To study the efficiency of the polymer coated metal nanoparticles on compatibility, we compared PS/PTPA blends stabilized by size controlled gold nanoparticles (Au NPs) and aspect ratio con-trolled CuPt nanorods (CuPt NRs) to those stabilized by PS-b-PTPA block copolymer as conventional com-patibilizers, and thus former stabilized blends showed better miscibility of polymer blend than PS-b-PTPA stabilized blend. The Au NPs and CuPt NRs were coated by carefully designed thiol-teminated polystyrene-b-poly(4-azidostyrene) (PS-b-PSN3) block copolymers, making them thermally stable above 200 oC and ensur-ing neutral interactions between the PS and PTPA domains. For quantitative analysis, the statistical distribu-tion of the number-average PTPA droplet size (Dn) in the PS matrix was compared. We interestingly found that a higher volume fraction of larger sized nanoparticles was required in comparison with smaller sized na-noparticles to obtain the same amount of reduction in the droplet size, thus demonstrating the size effect of nanoparticles on the blend morphology. Also, we developed a templating approach to realize a continuous conducting polymer film composed of insulating PS colloidal particles with these nanoparticle surfactants. To the best of our knowledge, these researches are the first systematic study of the effects of the nanoparticle type on a polymer blend.
Besides, we designed the polymer brushes with multi-functional property for reversible catalysis in water. The motivation to use in this system is focused on the catalysis with switch on/off system, which is the first systematic approach of the reversible catalysis. To continuously control the catalytic activities in-situ in aqueous solution without any further reactions, we prepared the PEO-b-poly(coumarin methacrylate) block copolymer ligands including reversibly crosslinkable coumarin segments, and thus we obtained the effectively switchable gold nanoparticle catalysts in aqueous pahse and explored the dependence of the catalytic efficienty of nanoparticle on the reversible crosslinking step.
고분자 브러쉬는 금속 나노입자의 표면에 화학적 또는 물리적으로 붙을 수 있는데, 이를 토대로 다양한 응용분야에 사용되어지고 있다. 브러쉬의 화학적인 특성으로 인해 용매 및 고분자 매트릭스 내에서의 분산성 및 추가적인 특성을 구현해낼 수 있다. 본 연구에서는 금, CuPt 나노입자의 표면에 다양한 고분자 리간드를 붙이되, 나노입자의 크기 및 길이를 조절하여 이를 고분자 블랜드 내에서의 계면활성제 및 물 상에서의 촉매로 사용하였다.
우선 그 첫번째 응용분야인 계면활성제로서 연구를 수행하였는데, 나노입자가 고분자 매트릭스 내에서 계면활성제로 사용되기 위해서는 두 가지 다른 상의 계면에 위치해야 한다. 이때, 나노입자의 표면에 존재하는 고분자 브러쉬의 붙는 양을 조절함으로써 이것이 가능해진다. 본 연구에서 고분자 블랜드의 매트릭스로 비전도성 고분자 중에서 일반적으로 널리 알려진 PS와 정공으로 인한 전도성을 갖는 PTPA를 사용하였는데, 이때 나노입자 계면활성제로 인해 두 고분자 물질의 혼화성이 증가함을 확인하였다. 기존에 고분자 블랜드의 혼화성을 높이기 위해 사용되어지던 블록공중합체 형태의 계면활성제와 비교해본 결과, 훨씬 뛰어난 혼화성을 나타내었다. 뿐만 아니라, PS와 PTPA의 계면에서 나노입자가 위치할때, 계면에서 차지하는 표면적이 넓은 입자의 경우 더 효율성이 극대화되는 것을 알 수 있었다. 크기를 조절한 금 나노입자의 경우에는 작은 크기를 갖는 나노입자가, 또한 길이를 조절한 CuPt 나노입자의 경우에는 짧은 길이를 갖는 나노입자가 더 빨리, 더 적은 양으로도 블랜드의 혼화성을 증가시킬 수 있었다. 이러한 혼화성의 증가는 PTPA 도메인의 크기가 감소하는 것을 통해 알 수 있는데, 표면에 나노입자가 완벽히 채워지게 되는 순간부터는 전혀 혼화성의 증가가 나타나지 않는 것도 확인하였다. 이와 같은 혼화성의 변화를 토대로, 전기적 특성을 향상시키고자 하는 다른 응용에도 뛰어난 효과가 있음을 알 수 있었다. 비전도성인 PS로 콜로이드 입자를 만들어 이를 템플레이트로 사용하고, 전기전도성을 갖는 PTPA 를 섞어주어 연속적인 전도성 박막을 구현하고자 하였는데, 일반적으로 단순히 두 물질을 섞게 되면 PS는 PS끼리, PTPA는 PTPA끼리 뭉치게 된다. 이때 나노입자 계면활성제를 넣어주게 되면 PS 콜로이드 템플레이트의 사이사이로 PTPA가 침투할 수 있게 되어, 매우 소량의 PTPA 만으로도 뛰어난 연속성을 갖게 되었고, 이와 같은 모폴로지를 기반으로 하여 전자가 흐를 수 있음을 확인하였다.
나노입자를 이용해 계면활성제 뿐만 아니라 물 상에 분산시켜 촉매로도 사용이 가능함을 확인하였는데, 단순히 CuPt 나노입자의 길이를 변화시켜 이에 따른 촉매적 효율성을 확인한 것에서 더 나아가, 나노입자의 고분자 브러쉬에 가역적으로 crosslinking을 시킬 수 있는 coumarin 분자를 도입하여 원하는 때에만 촉매적 특성을 나타내는 시스템을 구현할 수 있었다.
