The self-assembly of nano-building blocks using a bottom-up approach toward conceptual architectures has been proposed to control their direct structures at a nanometer length scale and their collective optical and electronic properties. In this thesis, various nanostructured materials were synthesized and self-assembled using amphiphilic self-assembling systems. 0-dimensional objects, gold nanocrystals and CdSe/ZnS quantum dots, and 2-dimensional objects, metal oxide nanosheets, were used as nano-building blocks. Using them, various discrete superstructures of nanoparticles and lamellar mesostructures of nanosheets were fabricated as conceptual architectures.
In chapter 2, the novel fabrication and aqueous self-assembly of amphiphilic nanocrystallo-polymers were presented. Hydrophobic nanocrystals are used as the hydrophobic component of amphiphiles, and they can drive the hydrophobic interaction-mediated direct self-assembly to create various nanostructures, such as spherical aggregates, core-shell unimolecular micelles, and cylinders. The nanocrystals can be uniformly arranged in the core of the nanostructures. We further show that the amphiphilic nanocrystallo-polymers have dynamic self-assembling and surface-active properties.
In chapter 3, self-assembly of QDs into highly organized discrete sphere-shaped aggregates and their optical interactions were studied. The amphiphilic QD-conjugated polymers formed micelle-like aggregates. The inter-QD distance and the fluorescence self-quenching of the aggregated QDs were controlled by swelling the core of the self-aggregates. The optical interactions indicate the surface-active property and dynamic self-assembling property of the QD-grafted polymers.
In chapter 4, a facile and large-scale synthesis of 2-dimensional metal oxide nanosheets and their self-assembling properties were described. Using the surfactant lamellar mesophases, metal oxide nanosheets such as copper oxide and zinc oxide nanosheets were fabricated. On a multi-gram scale, single crystalline metal oxide nanosheets were conveniently synthesized under ambient conditions without special equipments. The fabricated nanosheets show the reversible self-assembling and disassembling properties. Using the nanosheets and surfactants as basic building blocks, highly ordered lamellar mesostructures were reassembled on the substrate. To study the catalytic activity of the CuO nanosheets, the reduction of 4-NP by NaBH4 was used as a model reaction. The CuO nanosheets in NaBH4 solution showed in situ catalytic activity with a zero-order kinetics.
본 연구에서는 무기 나노물질을 기본 조립조각으로 이용하여 정렬된 구조체를 합성하고 그 구조와 물리, 화학적 특성을 연구하였다. 기본 조립물질로써 금 나노입자와 CdSe/ZnS 양자점의 0차원 구조 나노물질과 산화금속 나노쉬트의 2차원 구조 나노물질을 이용하였다. 이러한 물질들을 양친성 자기조립의 원리를 이용하여 수용액 상에서 형성하는 구형 나노응집체, 코어-쉘 구조체, 선형 응집체와 기판 위에 형성하는 라멜라 구조체를 합성하고 그 구조를 해석하였다.
2장에서는 친수성 고분자에 소수성으로 표면코팅된 금 나노입자를 그라프트 시켜줌으로써 새로운 개념의 양친성 물질을 합성하였고, 이를 나노결정-고분자라 명명하였다. 양친성 나노결정-고분자의 분자구조를 조절함으로써, 수용액 상에서 크기 조절이 가능한 구형 응집체, 코어-쉘 구조체, 선형 응집체의 나노구조체를 조립할 수 있었다. 이러한 조립응집체의 구조를 중성자소각산란을 이용하여 분석하였다.
3장에서는 친수성 고분자에 소수성으로 표면코팅된 CdSe/ZnS 양자점을 그라프트 시켜줌으로써 양친성 양자점-고분자를 설계하였다. 양친성 양자점-고분자는 수용액상에서 구형 응집체를 형성한다. 양친성 나노결장-고분자와 양자점-고분자는 기존의 계면활성제나 양친성 공중합체와 마찬가지로 표면활성을 가지고 있음을 확인하였다. 또한 양자점-고분자의 형광 형질을 이용하여 수용액 상에서의 응집현상을 분석하였고 이를 통해 구조체의 형성이 양친성 자기조립에 기인함을 확인하였다.
4장에서는 산화금속 나노쉬트를 합성하고 이를 기본 조립조각으로 이용하여 기판위에 라멜라 형태의 나노구조체로 조립하고 그 구조를 분석하였다. 수용액 상에서 음이온성 계면활성제가 형성하는 라멜라 액정상을 주형으로 이용하여, 계면활성제 이중막 사이의 물층에서 산화금속 나노쉬트 결정체를 합성하였다. 물과 에탄올의 친환경적 용매를 사용하여 상온, 상압에서 한번의 합성에 14.7g의 CuO 나노쉬트를 합성할 수 있었다. 이러한 산화금속 나노쉬트를 기본 조립조각으로 이용하고 계면활성제를 구조 형성 도움 물질로 이용하여 기판위에 라멜라 형태의 나노쉬트 배열 구조를 얻을 수 있었다.
