含氟纳米纤维素的低维、疏水、拓扑结构设计及电子纸应用

Cellulose nanocrystal (CNCs) is a one-dimensional needle-shaped nanoparticles. Recently, due to its unique high crystallinity, colorlessness, high chemical activity and light-weight, it has become a fast developing low-dimensional liquid crystal material. It is important in the fields of displays, sensors, and transistors. However, challenges still exist, i.e., monotonic surface charges, difficulties in particle size controlling, strong hydrophilicity, amphiphilicity, brittlness and etc. In this proposal, we focus on the conversion of sulfate group, fluorination of CNCs, controlling of low-dimensional fluorinated layer growth, hence to solve the problems of maintaining low-dimensionality, precise control of surface energy and etc. This topic will establish the relationships among the surface microscopic morphology, the scale effect and the key physicochemical properties (such as wettability, electrowetting properties and dielectric properties). Moreover, this proposal will explore the criteria of design guidelines for nano-reinforced hydrophobic structures and in-depth disclosure of structural and performance mechanisms, finally this topic will enrich theoretical basis for interface science. As a potential fluorinated layer to be used in electro-wetting paper devices, this study also has potential significance in emulsion, energy storage, sensors and etc.

纤维素纳米晶是一维针状的纳米颗粒，得益于它得天独厚的高结晶度，无色，携带负电荷，化学活性高，重量轻等优势，近年来成为发展迅猛的低维液晶材料并快速占领了显示器，传感器，晶体管等领域的重要地位。但该方向仍然存在挑战，如功能化类别单一、颗粒维度难于控制、亲水性强且有双亲性、膜易撕裂等。本文提出对常规酸水解法制备的纳米纤维素晶表面硫酸盐基团转化，氟化颗粒、控制其低维生长，构建含氟纳米纤维素液晶体系，以此解决胶体科学领域维持低维、亲疏水转化、表面能精准控制的难题。本课题有助于建立含氟纳米纤维素的表面微观形貌特征、胶体颗粒尺度效应与关键物化特性（如浸润性、电润湿特性和介电性能）之间的逻辑关系，加强确定构建表面纳米强化疏水结构的设计准则和深入揭示结构和性能机理以及丰富界面科学理论根据。本课题将探索其在电子纸器件关键材料氟化层在电润湿电子纸的应用，此外亦在乳液、储能器、传感器等方面存在潜在的指导意义。

纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals，CNCs）是一类一维线形针状的纳米颗粒。得益于它得天独厚的结构优势如结晶度高达95%，短而硬，无色，携带负电荷基团（-HSO3），化学活性高，重量轻，价格低，环境友好，其成为近年来发展迅猛的一类二维胶体材料，快速占领了显示器，传感器，晶体管，射频器件，发电机，发光二极管等多个物理学科领域的重要地位。但是，迄今为止，该方向存在的挑战也不少甚至有些方面尚缺乏探索。例如，现今存在的纤维素纳米晶体系中，功能化类别单一、胶体颗粒维度难于控制、化学基团单一、亲水性强而且存在双亲性、成膜后容易被撕裂和卷曲，这些存在的问题极大限制了该一维材料的发展。本文中，申请人提出对常规酸水解法制备的纳米纤维素的低维、疏水、含氟拓扑结构设计，具体内容包括了基于酸解法生产纳米纤维素晶的表明硫酸盐基团转化，以及氟化纳米纤维素晶体、并且做出从零维到二维的低维范围内、疏水、颗粒和薄膜表面的拓扑结构设计，构建全新的基于纳米纤维素晶的含氟液晶体系，解决胶体科学领域维持低维、亲疏水转化、表面能精准控制的难题。本课题有助于建立含氟纳米纤维素镀层的表面微观形貌特征、胶体颗粒尺度效应与关键物化特性（如浸润性、电润湿特性等）以及介电性能之间的逻辑关系；加强确定构建表面纳米强化疏水结构的设计准则和深入揭示表面纳米镀层的强化介电机理以及丰富了界面科学实验和理论根据。本课题的研究将探索含氟纳米纤维素作为在电子纸器件显示关键材料-氟化层在电润湿电子纸方面的应用，除此之外，该研究在乳液、薄膜、模板材料、储能器、电极、纸电子、传感器和致动器等方面的应用也存在巨大的潜在的指导意义。

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