納米結構單元組裝與仿生納米復合材料研制取得進展

無序納米線被組裝成具有周期性結構的有序一維超細納米線薄膜

　　目前，國際上有關納米結構組裝技術與仿生結構材料研究領域的挑戰之一，是如何實現將功能化的納米結構單元組裝成有序的組裝體，以獲得新的功能和應用。受具有優越力學性能的生物材料體系如貝殼、飛鳥骨骼等微觀結構與其性能關系的啟示，如何仿造生物材料的微納結構以實現達到優化和提高材料的整體性質已受到科學界的關注。

　　最近，中國科學技術大學俞書宏教授領導的課題組圍繞如何實現一維、二維納米構筑單元的高產制備與組裝、以及如何構筑輕質高強仿生納米復合材料等科學問題，開展了一系列功能納米結構單元制備與組裝技術探索研究，在納米結構單元組裝技術和仿生輕質高強復合材料研制方面取得一系列重要進展。

　　該研究組運用界面組裝技術，成功將化學法合成的無序納米線組裝成具有周期性結構的有序一維超細納米線薄膜，這種有序周期結構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，具有與納米線層數相關的光開關功能，可用于光導器件的研制（如圖）。在此基礎上，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，成功實現了在空氣-水-油三相界面上組裝多種無機納米線組裝結構的目標。相關研究成果發表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8945-8952）和德國《先進功能材料》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的研究基礎上，該研究組還探索了二維納米結構單元的組裝過程，并成功研制了多種輕質高強仿生納米結構復合材料。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合制備出具有層狀結構的高強而透光的功能性復合膜。研究結果表明，仿生層狀結構復合膜具有類似貝殼的微結構，在抗拉伸方面表現出優異的性質，可以同天然貝殼媲美。其中Cu-NO3-殼聚糖復合膜的強度可以達到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合膜。此工作發表在德國《應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2140-2145），隨后被英國NPG出版集團的Nature Asia Materials以Composite materials: Revaling Nature為題選為研究亮點報道。

　　研究人員還設計了合理的粘土納米片-生物大分子殼聚糖復合構筑單元的自組裝流程，成功制備了具有珍珠母結構的有機無機生物納米復合薄膜。所研制的薄膜拉伸強度可以達到100MPa，具有良好的透光性，并且能在水中變得更加透明。特別地，此類薄膜具有優良的力學和抗火性能，燃燒后其整體層狀結構也不會被破壞，為今后研制輕質高強防火納米涂層材料提供一條可能的途徑。此工作也發表在德國《應用化學》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、空隙率可調控的自支持碳納米纖維薄膜。應用這種自支持碳納米纖維薄膜可實現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點，可應用于水的純化、納米顆粒和生物大分子的純化和分離等。相關研究結果發表在德國《先進材料》上（Adv. Mater. 2010, 22, 4691-4695）。該研究組還通過一步電化學沉積過程，構筑了長度達幾個微米，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用于其它金屬納米催化劑的合成及結構設計，以進一步提高催化效率。相關成果發表在德國《應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152）。

　　該研究組應邀為德國《先進材料》撰寫有關利用納米材料的活性和化學反應性的模板法制備高質量納米結構單元、以及由生物質制備高活性碳基納米結構材料及應用的評述論文(Adv. Mater. 2010, 22, 3925–3937；Adv. Mater. 2010, 22, 813-828)。還應邀為英國皇家化學會《化學會評論》(Chem. Soc. Rev., in press)撰寫有關納米結構單元組裝技術與仿生復合材料構筑研究進展的評述論文。

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