Science Advances：乳液界面聚合法制备各向异性Janus微球！

高分子微球材料的发展对人类的经济与生活带来了巨大的影响，已渗透到我们生活中的每个角落，从化妆品、涂料、感光材料等大宗产品到生物医药领域的药物缓释微胶囊、色谱分离层析介质等高附加价值产品。

高分子微球的拓扑结构和化学组成是影响其广泛应用的关键，乳液聚合是合成高分子微球材料最为经典的方法。

问题在于：在聚合过程中由于表面张力的存在，最终导致制备得到的微球趋于自由能最低的球形结构。因此，如何在聚合过程中克服表面张力，合成形态和化学组成各向异性的微球是高分子微球合成领域的一大挑战。

 

有鉴于此，中科院理化技术研究所的王树涛研究员课题组及科研合作团队，提出了一种普适性的乳液界面聚合方法，制备得到拓扑结构和化学组成各向异性的Janus微球，打破了传统乳液聚合只形成球形微球的限制，开辟了乳液聚合的新方向。

 

图1. 乳液界面聚合机理

 

通过将亲、疏水单体同时引入到油水界面体系，构筑了水（亲水单体水溶液）包油（疏水性单体）的油水界面。在聚合过程中，使聚合发生在油水界面的某一位点上，以这一活性位点为中心进行界面优势生长。调控界面两侧水油组分，通过二元协同的效应，就可以制备拓扑结构和化学组成精确可调的各向异性聚合物Janus微球。

图2. Janus微球的生长过程

 

在该体系中，疏水性的引发剂首先在油滴内部引发疏水性单体的聚合，生成一个聚合物活性核。当聚合物活性核运动到油水界面上时，其表面活性位点能够引发水相中的亲水单体发生聚合。从而将聚合物活性核锚定在油水界面上，进而发生界面锚定聚合。亲水性单体和疏水性单体在界面的优先共聚，最终形成具有亲水亲油性质的各向异性Janus微球。

 

通过调节亲疏水单体浓度、聚合时间可实现不同拓扑结构和表面化学的Janus微球的可控制备。这种方法具有非常好的普适性，可适用于各种类型的聚合反应体系，例如界面缩聚反应、离子聚合、配位聚合等。同时，基于Janus微球独特的月牙结构，并利用其亲疏水两面性质的不同，可实现不同粒径微球的分选以及细菌分离。

 

图3. 不同拓扑结构的聚合物Janus微球

 

这种方法不仅局限于各向异性的Janus微球的合成，还可以扩展到二维Janus膜材料的制备，基于膜两侧性质的差异，可实现环境响应性形变 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。这种方法为设计制备新型的聚合物材料提供了新的思路，制备得到的各向异性微球在油水分离、固体表面活性剂、蛋白分离和细菌分离等方面展示出巨大的应用前景。

 

图4. Janus微球表面选择性功能化

 

中科院理化技术研究所仿生智能界面科学实验室的樊俊兵博士为论文的第一作者，王树涛研究员为该论文的通讯作者。该论文的合作者还包括中科院物理所谷林研究员、吉林大学吕中元教授和刘鸿博士。

该工作得到了的国家自然科学基金杰出青年基金，中组部国家“万人计划”青年拔尖人才项目，北京市科委计划项目等的资金支持。

Jun-Bing Fan, Shutao Wang et al. A general strategy to synthesize chemically and topologically anisotropic Janus particles. Science Advances 2017.