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單分散二氧化硅膠體顆粒在理論研究以及先進工業制造中有著廣泛且不可替代的應用。雖然借助傳統的溶膠-凝膠法在實驗室層面上已經可以實現不同粒徑單分散二氧化硅膠體顆粒的小批量制備，但是這些實驗室成果向工業化大規模生產轉化時仍面臨著一個亟待解決的問題，即如何精確控制二氧化硅膠體顆粒的尺寸以保證批間可重現性，進而才能實現規模化制備給定尺寸的單分散二氧化硅膠體顆粒。
在國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，中科院化學所高分子物理與化學實驗室邱東課題組發展了一種類似傳統種子乳液聚合的二氧化硅種子生長策略，通過在水油界面控制前驅體正硅酸乙酯（TEOS）的水解速率，實現了水解產物以特定四配位形式在種子顆粒表面的完全沉積。基于此，他們建立了二氧化硅膠體顆粒最終尺寸與前驅體用量之間的化學計量關系，實現了投料與產出物的嚴格可預測性。該化學計量式種子生長策略對二氧化硅膠體顆粒的尺寸具備1 nm級別的調控精度。由于該化學計量式種子生長過程對反應溫度、分散相pH以及攪拌速率等制備條件具有較大的容錯空間，因此最終得到的二氧化硅膠體顆粒表現出優異的批間可重現性。此外，該策略對種子顆粒的尺寸分布沒有要求，可以選用商品化的多分布二氧化硅膠體顆粒作為種子，實現特定尺寸單分散膠體顆粒的定制，成本優勢顯著。通過種子生長過程中前驅體化學組分的調控，研究人員還基于反應動力學調控實現了對單分散二氧化硅膠體顆粒表面形貌的精確調控。得益于反應動力學調控的化學計量式種子生長策略賦予的優異尺寸調節精度以及可靠的批間穩定性，研究人員通過少量多批次的方式在實驗室條件下實現了具有特定尺寸以及表面形貌的單分散二氧化硅膠體顆粒公斤級定制。相關工作近期發表于Chem. Eng. J. (2023, 456, 141125)，論文第一作者為孟曉輝助理研究員，通訊作者為邱東研究員。
圖. 化學計量式種子生長策略用于批量定制單分散二氧化硅膠體顆粒
