合成并调控PMM-PVP/SiO2-VO2新型纳米结构的形态、微观结构、光学及介电性能，以应用于先进的光电技术和抗菌领域

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Synthesis and controlling the morphological, microstructural, optical and dielectric performance of PMM-PVP/SiO2-VO2 new nanostructures for advanced optoelectronics and antibacterial applications

PMMA-PVP/SiO?-VO?纳米复合材料通过铸造法制备，系统研究其微观结构、光学和介电性能，发现折射率提升29.1%（λ=480nm），带隙缩小至3.0eV，电导率显著增加，同时具备辐射屏蔽（线性衰减系数达29.33cm?1）和抗菌（抑制圈25.1mm）特性，适用于光电子器件和生物医学领域。

　　

Fatima Abbas|Ahmed Hashim

巴比伦大学，纯科学教育学院，物理系，伊拉克巴比伦

摘要

本研究探讨了使用浇铸法制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-二氧化硅（SiO?）和二氧化钒（VO?）纳米结构的方法。研究了PMMA–PVP/SiO?–VO?薄膜的形态学、微观结构、光学和介电性能，以应用于伽马辐射屏蔽和抗菌领域。微观结构和形态学分析采用了XRD、FESEM、OM和FTIR技术。光学结果显示：在波长λ = 480 nm时，折射率（n）提高了29.1%；禁带隙从3.90 eV降低到3.40 eV，导带隙从3.72 eV降低到3.0 eV；吸收系数从纯样品的380.7 cm?1增加到798.7 cm?1（能量E = 4.43 eV，SiO?含量为7.2 wt%）。在波长λ = 380 nm时，光电导率从3.21 × 10?1 S?1提高到1.58 × 101 S?1，表明这些纳米复合材料非常适合用于光电器件。介电性能方面，介电常数从3.41增加到4.35。随着频率从100 Hz增加到2 MHz，介电常数从3.41降低到3.25，导电率从9.66 × 10?1 S/cm增加到2.20 × 10?1 S/cm，进一步表明其导电性有所提升。应用结果表明，随着SiO?/VO?含量的增加，线性衰减系数（μ）从19.58 cm?1增加到29.33 cm?1。抗菌实验针对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）进行，抑制圈直径分别达到了25.1 mm和24.5 mm（SiO?含量为7.2 wt%）。综上所述，PMMA–PVP/SiO?–VO?纳米复合材料是一种多功能纳米结构，可应用于电容器、能量存储、光电器件、辐射屏蔽和抗菌领域。

引言

当前研究的主要课题之一是持续寻找新型和改进型聚合物，这引起了多个行业的极大兴趣[1]。

由于聚合物出色的电气、结构和物理性能，它们在众多行业中需求旺盛[2]。聚合物纳米复合材料因其特殊性质而具有广泛的应用前景[2]。生物纳米颗粒在组织工程、光子学、有机脱色、药物输送和食品保存等领域具有广泛应用潜力，因为它们能显著提升聚合物基体的化学和物理性能。近年来，纳米颗粒的添加受到了广泛关注，即使在低添加量下也能显著改善聚合物基体的性能。与聚合物共混（将两种或多种聚合物结合以创造具有现代应用特性的新材料）不同，这种方法是在聚合物基体中添加无机填料[3]。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种流行的透明热塑性聚合物，具有强度高、柔韧性好和透明度高等优点。在LED灯、光学透镜和汽车部件中，它可替代耐冲击玻璃。由于其易于成型且与生物组织相容，PMMA还可用于医疗领域，如骨水泥、正畸器具和牙科假体。PMMA是一种坚固、耐热且抗刮擦的透明聚合物。当加入金属纳米颗粒后，其电气性能会发生变化，具体取决于金属颗粒的类型、大小、形状和浓度[1]，从而改善其电气和光学性能。此外，通过调整这些参数，可以进一步优化PMMA的电气和光学特性[4]、[5]。PVP（聚乙烯吡咯烷酮）是一种替代聚合物，在多种工作条件下表现出优异的机械和热稳定性[6]。二氧化硅（SiO?）纳米颗粒因其大表面积、优异的热稳定性以及能够增强复合材料的机械、光学和结构性能而在纳米聚合物中得到广泛应用[7]。SiO?还能通过减小孔隙尺寸和提高结构均匀性来提升聚合物基体的耐用性和热稳定性。化学性质稳定的SiO?颗粒可用于制备具有优良线性和非线性性能的纳米薄膜[7]。在接近室温的温度下，二氧化钒（VO?）这种热致变色材料可以从绝缘状态转变为金属状态，这一特性备受关注。在68°C以下，VO?处于绝缘相，大量红外光可以透过；当温度升高超过68°C时，转变为金属相，红外光透过率降低，可见光受到的影响较小[8]。尽管存在一些问题，但基于VO?的薄膜仍适用于智能窗户等领域。目前已有大量关于纳米复合材料的光学、电气、结构和介电性能及其应用的研究[9]–[17]。本研究的目的是制备结合PMMA–PVP混合物和SiO?–VO?纳米颗粒特性的新型纳米复合材料。研究了PMMA–PVP/SiO?–VO?薄膜的形态学、微观结构、光学和介电性能，以用于伽马辐射屏蔽和抗菌应用。

材料与方法

PMMA–PVP/SiO?–VO?纳米复合材料采用浇铸法制备。首先将1克聚合物（85 wt% PMMA和15 wt% PVP）溶解在40毫升氯仿中，然后加入纯度为99.9%的SiO?纳米颗粒和纯度为99.8%的VO?纳米颗粒，比例为1:1，不同含量分别为2.4%、4.8%和7.2%。在浇铸和干燥前，为确保充分分散，需对混合物进行振荡。

结果与讨论

图2展示了不同纳米颗粒含量下制备的PMMA–PVP/SiO?–VO?纳米复合材料的光学显微镜（OM）图像，放大倍数为100倍。图2-a、b、c和d表明，随着纳米颗粒含量的变化，表面形态明显改变。聚合物基体混合均匀，SiO?–VO?纳米颗粒在PMMA–PVP混合物中分布均匀，无明显的间隙、团聚或裂纹，证明了良好的分散效果。

结论

本研究制备了用于光电器件和先进生物医学应用的PMMA–PVP/SiO?–VO?纳米复合材料。光学结果显示：在能量E = 4.43 eV、SiO?含量为7.2 wt%的情况下，吸收系数从380.7 cm?1增加到798.7 cm?1；折射率在波长λ = 480 nm时提高了29.1%；禁带隙从3.90 eV降低到3.40 eV，导带隙从3.72 eV降低到3.0 eV。

作者贡献声明

Ahmed Hashim：负责撰写、审稿与编辑、项目监督及软件使用。Fatima Abbas：负责初稿撰写、方法设计、实验实施、数据分析与整理。

伦理批准

（本研究不涉及人类参与者或其数据/生物材料。）

本研究不涉及对人类或相关数据的研究。

资金声明

本研究未获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢巴比伦大学的支持。