从综合实验教学到科研素质培养

林乃波 张建英

摘要：大学四年级是学生培养科研素质的关键时期。以综合实验粒径可控单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色为例，介绍了在高分子专业综合实验教学中通过模拟科研步骤与过程，让学生潜移默化地提高科研素质的教学尝试。

关键词：综合实验；科研素质；生物仿生

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）05-0263-02

在本科生结束所有专业实验后，毕业论文设计实验开始之前，很多高校开设了大学综合实验，该课程将引领本科生正式进入科学研究的道路。综合实验涵盖了大学阶段所学的重要实验方法和技术，是学生的科研素质培养的重要环节[1]。我们结合高分子材料专业学生的基础知识与厦门大学软物质与生物仿生研究院的特色研究方向，设计了粒径可控单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色。这不仅综合运用了高分子化学实验技术，而且以合成绚丽多彩的蛋白石结构产品为目标，有效激发了学生的科研兴趣，潜移默化地提高了学生的科研素质。

一、教学步骤

本实验模拟科研项目研究过程，设计了如下环节。

1.实验准备和讲解。阅读相关中英文文献和实验大纲，自行设计基本的实验步骤，小组讨论后与指导教师共同确定实验计划。

2.制备过程。本实验采用无皂乳液聚合制备不同粒径聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球，利用重力自组装和垂直沉淀组装法制备不同颜色光子晶体，比较不同组装方法对光子晶体质量的影响。

3.表征。高分子微球组分：红外光谱（FTIR）可以对高分子微球的分子结构与组分进行表征。形貌：采用扫描电子电镜（SEM）观察样品在微观尺度上的形貌，观察光子晶体的组装情况。粒径：动态光散射（DLS）可以测得微球的大小和粒径分布，SEM以观察并统计计算微球的粒径大小及分布。光子晶体光学性质：紫外可见分光光度计可以表征光子晶体的反射性质。

4.实验总结。通过小组讨论，以公开答辩和撰写综合实验论文的方式，分析和讲述实验结果。

二、实验目的

光子晶体结构色在生物中广泛存在，如蝴蝶的翅膀，孔雀的羽毛等[2-4]。本实验将利用高分子微球自组装方法制备光子晶体结构色，模仿生物光子晶体结构色。具体实验目的如下：

1.掌握无皂乳液聚合的方法制备单分散粒径大小可控的高分子微球原理，通过改变共聚单体的量，制备不同粒径的微球。

2.通过对高分子微球进行自组装，了解微球自组装原理，掌握高分子微球自组装方法。

3.掌握自组装高分子微球光子晶体的结构及性能表征方法。

三、实验步骤

1.聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球的制备。本实验采用无皂乳液聚合制备不同粒径聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球，聚合以过硫酸铵为引发剂，去离子水为分散介质，氮气为保护气体，机械搅拌为300转/分钟（rpm），通过改变丙烯酸的添加量控制微球粒径大小。

由于苯乙烯容易自聚，在运输过程中需要加入阻聚剂，购买来的苯乙烯需精制。苯乙烯的沸点为145.2℃，为了防止在高温下苯乙烯自聚，需采用减压蒸馏，减压可降低苯乙烯的沸点。具体实验步骤如下：安装减压蒸馏系统，检查系统漏气情况，方法是：关闭安全瓶上阀门，开始减压，压力稳定后，夹住连接减压泵的橡皮管，观察压力计所示系统压力是否减小，没有减少表示系统密闭性好。加入不要超过蒸馏瓶的一半苯乙烯，开动油泵，调节毛细管导入的空气量，以能冒出一连串小气泡为宜。当压力稳定后，开始加热。液体沸腾后，应注意控制温度，并观察沸点变化情况。待沸点稳定时，转动多尾接液管接受馏分，蒸馏速度以0.5～1滴/秒为宜。蒸馏完毕，除去热源，慢慢旋开夹在毛细管上的橡皮管的螺旋夹，待蒸馏瓶稍冷后再慢慢开启安全瓶上的活塞，平衡内外压力，然后才关闭抽气泵。

聚苯乙烯-丙烯酸P（St-co-AA）微球的聚合首先在500mL的四颈瓶中依次加入184mL去离子水、20g苯乙烯、不同量的丙烯酸（2.0g，2.2g，2.4g，2.6g，2.8g），通入氮气除去反应体系中的氧气，机械充分0.5小时混合后，开始升温。升温至70℃，将0.1g引发剂过硫酸铵溶解于4mL去离子水中，分别用2mL去离子水润洗烧杯二次，用10mL注射器将8mL过硫酸铵溶液快速注入四颈瓶中。反应7h后，冷却至室温。在得到的乳液中加入少量的氯化钠固体，震荡摇匀后，在13000r/min的转速下离心15min，倒掉上层清液，加入与上层清液体积相同的去离子水，超声震荡至沉淀完全溶解，再次离心，重复上述操作2次，得聚P（St-co-AA）微球。该实验根据丙烯酸的添加量不同，共分5组，得五组不同粒径高分子微球。

从乳液聚合角度解释丙烯酸添加量对微球粒径影响的原理。写出实验过程中遇到的问题，提出解决办法，并总结经验。

2.不同粒径聚苯乙烯-丙烯酸微球自组装。采用重量法测定固含量。取出1.5mL左右的洗涤后的乳液放入到130℃烘箱中10h，得干胶。按下式计算固含量：

C%=■×100

W0为称量瓶；W■为乳液+称量瓶；W2为干胶+称量瓶。需平行测定3个样品，将测得固含量取平均值。

玻璃片处理：将26×26cm和76×26mm玻璃片放入去离子水中超声20min，用乙醇溶液冲洗干燥后，放入浓硫酸和过氧化氢（体积比为70：30）的混合溶液中浸泡一夜。玻璃片放入去离子水超声30min，用去离子水冲洗，放入烘箱内烘干备用。

重力自组装：取含有20mg微球乳液5组分别滴加在亲水表面26×26cm（处理后的玻璃片）和疏水表面（聚苯乙烯）的载体上组装，观察并表征微球组装成光子晶体的情况。

垂直沉积法：将200mL的烧杯中加入150mL微球乳液，将76×26mm的玻璃片悬置于乳液中，用提拉仪匀速提拉。观察并表征微球组装成光子晶体。

比较分析重力自组装和垂直沉积法制备光子晶体的各自优缺点，并从组装原理上加以解释。

3.结构及性能表征。动态光散射（DLS），将所制得的聚苯乙烯-丙烯酸乳液加去离子水稀释至澄清，超声振荡均匀，在粒径分析仪（如：MalvernNano-zs）上进行测试。傅立叶变换红外光谱（FT-IR），采用红外衰减全反射法（ATR）附件测试。紫外可见分光光度计，采用积分球反射附件测试，分析光子晶体光子带隙的波长范围，扫描波长范围为900nm～300nm。扫描电子显微镜测试（SEM），将所制备的光子晶体用导电胶黏在样品台上，在SCD005（spulter coater）喷金机喷金处理，喷金电流为61 mA，喷金时间为40s，真空度为10-1mbar。采用德国LEO-1530场发射高分辨扫描电镜对样品形貌进行观察，电镜真空度为2.04×10-7mbar，加速电压为20kV。

四、教学总结

本综合实验课程的教学难点是培养学生的科研综合能力，重点是让学生掌握科研实验的流程，培养学生组织管理科研实验的能力。学生通过粒径可控单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色，初步掌握了文献调研、实验计划与安排、无皂乳液聚合和高分子微球自组装、分析实验结果、撰写科研实验报告以及口头汇报实验结果的能力。同时，学生锻炼了在实验过程中相互协调及配合的能力，总体达到了教学的目标。但是学生在实验过程对基本操作不熟练，缺少严谨的科学态度，极少部分学生不积极努力解决实验过程中遇到的问题，实验态度不端正。

问题、建议及今后须注意的问题。进入第四学年的专业课学习，部分学生迫于就业、考研、考公务员等等的压力，精力有所分散，但是学生中还是有相当一部分学生乐于学习，表现在实验教学过程中听讲认真，文献调研及实验操作认真。应该将这种态度带到以后的本科毕业论文中。

参考文献：

[1]舒红英，吴光辉，周韦.正交实验法引入应用化学综合实验[J].南昌航空工业学院学报（自然科学版），2006，20（1）：46-48.

[2]X.Y.Liu.Bioinspiration from nano to micro scales[M].New York：Springer，2012.

[3]D.H.Everett，Basic Principles of Colloid Science[M].London：Royal Society of Chemistry，1988.

[4]林乃波，吴振玉，徐洪耀，张超.单分散热稳定有机/无机杂化修饰苯乙烯微球的制备及形成机理[J].高分子材料科学与工程.2009，25（4）：133-136.