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無序納米線被組裝成具有周期性結(jié)構(gòu)的有序一維超細(xì)納米線薄膜

    目前，國際上有關(guān)納米結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一，是如何實現(xiàn)將功能化的納米結(jié)構(gòu)單元組裝成有序的組裝體，以獲得新的功能和應(yīng)用。受具有優(yōu)越力學(xué)性能的生物材料體系如貝殼、飛鳥骨骼等微觀結(jié)構(gòu)與其性能關(guān)系的啟示，如何仿造生物材料的微納結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)達(dá)到優(yōu)化和提高材料的整體性質(zhì)已受到科學(xué)界的關(guān)注。

    最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組圍繞如何實現(xiàn)一維、二維納米構(gòu)筑單元的高產(chǎn)制備與組裝、以及如何構(gòu)筑輕質(zhì)高強仿生納米復(fù)合材料等科學(xué)問題，開展了一系列功能納米結(jié)構(gòu)單元制備與組裝技術(shù)探索研究，在納米結(jié)構(gòu)單元組裝技術(shù)和仿生輕質(zhì)高強復(fù)合材料研制方面取得一系列重要進(jìn)展。

    該研究組運用界面組裝技術(shù)，成功將化學(xué)法合成的無序納米線組裝成具有周期性結(jié)構(gòu)的有序一維超細(xì)納米線薄膜，這種有序周期結(jié)構(gòu)的納米線薄膜既可組裝在剛性基體上也可組裝在柔性基體上，具有與納米線層數(shù)相關(guān)的光開關(guān)功能，可用于光導(dǎo)器件的研制（如圖）。在此基礎(chǔ)上，提出了一種在空氣-水-油三相界面上直接組裝超長納米線有序薄膜的方法及組裝原理，成功實現(xiàn)了在空氣-水-油三相界面上組裝多種無機納米線組裝結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8945-8952）和德國《先進(jìn)功能材料》上（Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 958-964，并被選為“卷首插畫論文”（Frontispiece paper）。

    在上述一維納米線組裝技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，該研究組還探索了二維納米結(jié)構(gòu)單元的組裝過程，并成功研制了多種輕質(zhì)高強仿生納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。通過界面組裝和旋涂層層組裝的方法將多種雙層氫氧化物微/納米片與天然高分子殼聚糖復(fù)合制備出具有層狀結(jié)構(gòu)的高強而透光的功能性復(fù)合膜。研究結(jié)果表明，仿生層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合膜具有類似貝殼的微結(jié)構(gòu)，在抗拉伸方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì)，可以同天然貝殼媲美。其中Cu-NO₃-殼聚糖復(fù)合膜的強度可以達(dá)到160MPa，是純殼聚糖膜的八倍，并且超過了珍珠母的拉伸強度。研究人員還運用不同組裝單元構(gòu)筑了具有選擇性吸收紫外光和透過不同波長的可見光的高強透明復(fù)合膜。此工作發(fā)表在德國《應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2140-2145），隨后被英國NPG出版集團(tuán)的Nature Asia Materials以Composite materials: Revaling Nature為題選為研究亮點報道。

    研究人員還設(shè)計了合理的粘土納米片-生物大分子殼聚糖復(fù)合構(gòu)筑單元的自組裝流程，成功制備了具有珍珠母結(jié)構(gòu)的有機無機生物納米復(fù)合薄膜。所研制的薄膜拉伸強度可以達(dá)到100MPa，具有良好的透光性，并且能在水中變得更加透明。特別地，此類薄膜具有優(yōu)良的力學(xué)和抗火性能，燃燒后其整體層狀結(jié)構(gòu)也不會被破壞，為今后研制輕質(zhì)高強防火納米涂層材料提供一條可能的途徑。此工作也發(fā)表在德國《應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 10127-10131）。

    該研究組還探索了碳納米線的宏量制備過程，成功研制了面積可控、空隙率可調(diào)控的自支持碳納米纖維薄膜。應(yīng)用這種自支持碳納米纖維薄膜可實現(xiàn)快速過濾和分離不同尺寸的納米顆粒。與相比其它薄膜材料，這種納米纖維薄膜具有很窄的孔徑分布、孔隙率和水通量大等優(yōu)點，可應(yīng)用于水的純化、納米顆粒和生物大分子的純化和分離等。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在德國《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater. 2010, 22, 4691-4695）。該研究組還通過一步電化學(xué)沉積過程，構(gòu)筑了長度達(dá)幾個微米，直徑300納米的多元金屬Pd-Au-Cu納米顆粒管陰極催化劑，能很好地催化雙氧水還原并且對雙氧水有耐腐蝕能力，同時具有氧氣還原和雙氧水還原的雙重功能，可用作氧氣/雙氧水混合氧化劑的還原催化劑，提高了燃料電池的輸出功率。這種簡單的合成方法還可應(yīng)用于其它金屬納米催化劑的合成及結(jié)構(gòu)設(shè)計，以進(jìn)一步提高催化效率。相關(guān)成果發(fā)表在德國《應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152）。

    該研究組應(yīng)邀為德國《先進(jìn)材料》撰寫有關(guān)利用納米材料的活性和化學(xué)反應(yīng)性的模板法制備高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)單元、以及由生物質(zhì)制備高活性碳基納米結(jié)構(gòu)材料及應(yīng)用的評述論文(Adv. Mater. 2010, 22, 3925–3937；Adv. Mater. 2010, 22, 813-828)。還應(yīng)邀為英國皇家化學(xué)會《化學(xué)會評論》(Chem. Soc. Rev., in press)撰寫有關(guān)納米結(jié)構(gòu)單元組裝技術(shù)與仿生復(fù)合材料構(gòu)筑研究進(jìn)展的評述論文。

    這些研究得到了國家重大科學(xué)研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金委重點基金、科技部國際合作重點項目等的支持。