杨振忠教授研究团队二十载深入Janus 材料研究

Janus是古罗马神，他的头部具有两张脸，一面朝向过去，一面朝向未来。这种特殊的结构带给人们无限启发，其中所蕴含的“辩证统一”哲理与中国古代哲学的“阴阳合一”思想相得益彰，成为科学家灵感迸发的焦点。

“Janus beads”一词最早出现在1989年，Casagrande等用于描述一侧亲水而另一侧疏水的玻璃微球，并称之为两亲性固体。在1991年，de Gennes在其诺贝尔物理学奖演讲辞中利用Janus一词描述同时具有非对称结构的颗粒，并描述道Janus颗粒类似双亲分子可稳定界面，颗粒间的缝隙为物质在两相间的传输提供通道，颗粒在界面具有明确取向。在2012至2021的十年间，由国家自然科学基金委员会资助的相关项目就多达130多项，这充分反映了该研究领域的活跃度和关注度。Janus材料作为重要功能物质复合平台，实现了多学科、多专业、多领域的交叉融合，为功能集成与拓展提供了关键解决途径。

三十年来，Janus材料的研究得到了迅猛的发展，作为一类特殊的多相多组分功能复合材料，又兼具不同化学组成和功能复合空间分区，Janus材料已成为前沿科学的代表，在诸多领域发挥着独特的作用，对复合材料的发展具有重要意义。

杨振忠教授科研团队聚焦Janus材料研究二十余年，在合成材料方法学、批量生产技术及工程应用等方面均取得了突出成绩，实现了Janus材料的世界首次且目前唯一工业化工程应用，在国内外具有重要影响力。杨振忠教授在国内最早发起了Janus材料研讨会，与国际同行发起并组织了环太平洋化学会会议的Janus材料分会，广泛促进了学术交流，显著提升了我国在该领域的国际影响力。

由杨振忠教授组织活跃在该领域前沿的优秀学者撰写而成，涵盖了理论与模拟、合成方法学、性质及应用等方面的代表性成果和发展趋势。作为我国Janus材料领域的首部著作，该书将对Janus材料的科学研究与交叉应用具有积极的推动作用，并产生深远的影响。

获国家科学技术学术著作出版基金

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杨振忠 等 著

责任编辑：张淑晓

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Janus 材料因其独特的结构和多重性能集成及广泛的应用前景，已成为近二十年来材料领域中的一个研究热点。Janus 颗粒为设计新型颗粒乳化剂、多相催化剂、自驱动纳米马达及作为构筑单元组装形成功能超结构等交叉领域提供了理想的科研平台，在物理、化学、材料及生物等领域的交叉应用方面展现出诱人前景。本书从Janus 材料的理论、设计与合成、特性及典型应用等方面介绍Janus 材料的研究进展及面临的挑战，为读者全面了解Janus 材料提供参考与指导。

本书图文并茂，内容来自原始文献和作者多年的研究积累，反映该领域的基本研究方法与最新研究成果，可作为化学、物理、材料、生物等相关专业的高年级本科生和研究生的教材或参考用书。

目录速览

序一

序二
前言
第1章　DNA功能化Janus颗粒　1
1.1　DNA的结构与DNA功能化颗粒　1
1.2　各向同性颗粒的自组装行为　3
1.3　各向异性颗粒的自组装行为　8
1.4　不对称功能化与Janus颗粒的自组装　10
1.5　Janus颗粒自组装的理论模型与模拟计算　17
参考文献　24
第2章　微流控可控构建Janus颗粒及其应用　27
2.1　引言　27
2.2　微流控可控制备Janus颗粒　28
2.2.1　以液滴为模板制备Janus颗粒　28
2.2.2　通过快速混合纳米共沉淀法制备Janus纳米颗粒　35
2.3　微流控可控制备Janus颗粒的应用　38
2.3.1　Janus颗粒作为颗粒表面活性剂　38
2.3.2　Janus颗粒用于显示技术　42
2.3.3　Janus颗粒用于检测技术　45
2.4　小结与展望　46
参考文献　46
第3章　嵌段共聚物自组装构筑Janus纳米颗粒　50
3.1　引言　50
3.2　嵌段共聚物溶液自组装与链段重排构筑Janus纳米颗粒　51
3.3　嵌段共聚物自组装-交联-解组装构筑Janus纳米颗粒　53
3.3.1　本体自组装-交联-解组装法　53
3.3.2　溶液自组装-交联-解组装法　54
3.3.3　三维受限组装-交联-解组装法　55
3.4　界面诱导嵌段共聚物组装构筑Janus纳米颗粒　58
3.4.1　界面诱导吸附-交联法　58
3.4.2　中性界面三维受限组装法　60
3.5　小结与展望　61
参考文献　62
第4章　乳液法制备Janus颗粒　65
4.1　引言　65
4.2　种子乳液法　66
4.2.1　种子乳液聚合机理　66
4.2.2　基于种子乳液聚合制备聚合物-聚合物Janus颗粒　68
4.2.3　基于种子乳液聚合制备聚合物-无机物Janus颗粒　75
4.3　乳液中受限相分离法　78
4.3.1　分散相挥发诱导相分离　78
4.3.2　聚合反应诱导相分离　81
4.3.3　Janus乳液　84
4.4　乳液界面诱导分区材料化　86
4.4.1　功能化Janus纳米片制备　86
4.4.2　基于Janus纳米片的高分子共混体系增强　89
4.5　小结与展望　91
参考文献　91
第5章　分子内交联制备Janus纳米颗粒　97
5.1　单链纳米颗粒　97
5.1.1　引言　97
5.1.2　SCNPs的制备方法　99
5.1.3　SCNPs的形貌　111
5.1.4　SCNPs的应用　112
5.2　单官能团无机颗粒的接枝　115
5.2.1　无模板法　118
5.2.2　固相合成　118
5.2.3　快速终止法　119
5.2.4　ssDNA-Au　120
参考文献　121
第6章　金基有机无机杂化非对称纳米颗粒的制备及其生物学应用　128
6.1　引言　128
6.1.1　非对称颗粒　128
6.1.2　Au基非对称纳米颗粒　128
6.2　Au基非对称纳米颗粒的种类及制备　129
6.2.1　基于小分子配体的Au基非对称纳米颗粒　129
6.2.2　基于聚合物配体的Au基非对称纳米颗粒　132
6.2.3　基于DNA的Au基非对称纳米颗粒　137
6.2.4　Au基非对称囊泡　139
6.3　性质与应用　141
6.3.1　自组装构筑新结构　141
6.3.2　生物成像及传感　143
6.3.3　光热治疗　146
6.3.4　自推进式纳米马达　147
6.3.5　催化及其他　149
6.4　小结与展望　149
参考文献　150
第7章　纳米颗粒表面活性剂和结构化液体　156
7.1　引言　156
7.2　纳米颗粒液/液界面自组装及堵塞行为　156
7.2.1　纳米颗粒液/液界面自组装　156
7.2.2　纳米颗粒液/液界面堵塞行为　160
7.3　纳米颗粒表面活性剂　162
7.3.1　纳米颗粒表面活性剂的概念　162
7.3.2　纳米颗粒表面活性剂的影响因素　164
7.4　基于纳米颗粒表面活性剂构筑结构化液体　166
7.4.1　双连续型乳液凝胶的剪切制备　166
7.4.2　全液相模塑成型　169
7.4.3　全液相3D打印　171
7.5　纳米颗粒表面活性剂的应用　173
7.5.1　全液相“芯片实验室”　173
7.5.2　Pickering乳液及多孔材料　176
7.5.3　铁磁性液体　179
7.6　聚电解质表面活性剂　182
7.7　Janus纳米颗粒的堵塞行为　184
7.8　小结与展望　188
参考文献　189
第8章　Janus材料在聚合物共混体系中的应用　194
8.1　聚合物共混体系的相分离行为　194
8.1.1　聚合物共混体系的形态结构　194
8.1.2　聚合物共混体系的相分离动力学　195
8.1.3　聚合物共混体系的界面及界面效应　196
8.2　Janus材料　197
8.2.1　Janus材料概述　197
8.2.2　聚合物刷Janus材料的制备　198
8.3　Janus材料在聚合物共混体系中的应用　201
8.3.1　界面增容　201
8.3.2　增强增韧　208
8.4　小结与展望　212
参考文献　213
第9章　Janus胶体的乳液界面组装及其应用　216
9.1　引言　216
9.2　界面自组装　216
9.2.1　球形Janus胶粒的界面组装　218
9.2.2　哑铃形Janus胶粒的界面组装　221
9.2.3　Janus纳米片的界面组装　223
9.3　构筑微胶囊功能材料　226
9.4　催化应用　227
9.4.1　调控反应活性　227
9.4.2　调控反应选择性　231
9.4.3　串联催化　233
9.4.4　光催化　234
9.4.5　其他应用　236
9.5　小结与展望　238
参考文献　239
第10章　Janus胶体马达　242
10.1　引言　242
10.2　Janus胶体马达的制备方法　244
10.2.1　自组装　244
10.2.2　物理气相沉积　246
10.2.3　电化学沉积　248
10.2.4　其他Janus胶体马达制备技术　249
10.3　Janus胶体马达的驱动方式　249
10.3.1　化学驱动　250
10.3.2　光驱动　257
10.3.3　磁场驱动　258
10.3.4　超声场驱动　259
10.3.5　混合场驱动　260
10.4　Janus胶体马达的运动控制策略　260
10.4.1　运动速度控制　261
10.4.2　运动方向控制　261
10.4.3　运动启动/停止控制　263
10.4.4　集群行为控制　265
10.5　Janus胶体马达的应用　268
10.5.1　Janus胶体马达在生物医学上的应用　268
10.5.2　Janus胶体马达在环境治理领域的应用　270
10.5.3　纳米工程　272
10.6　小结与展望　272
参考文献　274

作者简介

杨振忠男，锡伯族，1968年出生于辽宁省开原市，现为清华大学化学工程系高分子研究所教授，高分子研究所所长。1998-2018年，中国科学院化学研究所工作，先后任助理研究员、副研究员、研究员。曾任中国科学院化学研究所副所长、中国化学会秘书长、中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室主任。2018年至今，清华大学化学工程系教授。

主要从事多组分高分子材料基础理论与工程应用研究，致力于发展组成/功能空间精准分区和微结构精细可控的复合材料体系，促进多领域交叉融合和工程应用。近期聚焦高分子单链与胶体杂化体系的结构设计和规模合成方法学研究。

曾获2003年国家杰出青年科学基金、2013年国家自然科学奖二等奖（第一完成人）等。主要负责2011年科技部“纳米科技”重点专项、2021年国家重点研发计划“绿色生物制造”项目、2018年国家自然科学基金委重点项目、2022年国家自然科学基金委重大项目。

（本期编辑：王芳）

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