纳米结构单元组装与仿生纳米复合材料研制取得进展

2010-12-30 10:31 来源: 中国科学院
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无序纳米线被组装成具有周期性结构的有序一维超细纳米线薄膜

  目前,国际上有关纳米结构组装技术与仿生结构材料研究领域的挑战之一,是如何实现将功能化的纳米结构单元组装成有序的组装体,以获得新的功能和应用。受具有优越力学性能的生物材料体系如贝壳、飞鸟骨骼等微观结构与其性能关系的启示,如何仿造生物材料的微纳结构以实现达到优化和提高材料的整体性质已受到科学界的关注。

  最近,中国科学技术大学俞书宏教授领导的课题组围绕如何实现一维、二维纳米构筑单元的高产制备与组装、以及如何构筑轻质高强仿生纳米复合材料等科学问题,开展了一系列功能纳米结构单元制备与组装技术探索研究,在纳米结构单元组装技术和仿生轻质高强复合材料研制方面取得一系列重要进展。

  该研究组运用界面组装技术,成功将化学法合成的无序纳米线组装成具有周期性结构的有序一维超细纳米线薄膜,这种有序周期结构的纳米线薄膜既可组装在刚性基体上也可组装在柔性基体上,具有与纳米线层数相关的光开关功能,可用于光导器件的研制(如图)。在此基础上,提出了一种在空气-水-油三相界面上直接组装超长纳米线有序薄膜的方法及组装原理,成功实现了在空气-水-油三相界面上组装多种无机纳米线组装结构的目标。相关研究成果发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8945-8952)和德国《先进功能材料》上(Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 958-964,并被选为“卷首插画论文”(Frontispiece paper)。

  在上述一维纳米线组装技术的研究基础上,该研究组还探索了二维纳米结构单元的组装过程,并成功研制了多种轻质高强仿生纳米结构复合材料。通过界面组装和旋涂层层组装的方法将多种双层氢氧化物微/纳米片与天然高分子壳聚糖复合制备出具有层状结构的高强而透光的功能性复合膜。研究结果表明,仿生层状结构复合膜具有类似贝壳的微结构,在抗拉伸方面表现出优异的性质,可以同天然贝壳媲美。其中Cu-NO3-壳聚糖复合膜的强度可以达到160MPa,是纯壳聚糖膜的八倍,并且超过了珍珠母的拉伸强度。研究人员还运用不同组装单元构筑了具有选择性吸收紫外光和透过不同波长的可见光的高强透明复合膜。此工作发表在德国《应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2140-2145),随后被英国NPG出版集团的Nature Asia Materials以Composite materials: Revaling Nature为题选为研究亮点报道。

  研究人员还设计了合理的粘土纳米片-生物大分子壳聚糖复合构筑单元的自组装流程,成功制备了具有珍珠母结构的有机无机生物纳米复合薄膜。所研制的薄膜拉伸强度可以达到100MPa,具有良好的透光性,并且能在水中变得更加透明。特别地,此类薄膜具有优良的力学和抗火性能,燃烧后其整体层状结构也不会被破坏,为今后研制轻质高强防火纳米涂层材料提供一条可能的途径。此工作也发表在德国《应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 10127-10131)。

  该研究组还探索了碳纳米线的宏量制备过程,成功研制了面积可控、空隙率可调控的自支持碳纳米纤维薄膜。应用这种自支持碳纳米纤维薄膜可实现快速过滤和分离不同尺寸的纳米颗粒。与相比其它薄膜材料,这种纳米纤维薄膜具有很窄的孔径分布、孔隙率和水通量大等优点,可应用于水的纯化、纳米颗粒和生物大分子的纯化和分离等。相关研究结果发表在德国《先进材料》上(Adv. Mater. 2010, 22, 4691-4695)。该研究组还通过一步电化学沉积过程,构筑了长度达几个微米,直径300纳米的多元金属Pd-Au-Cu纳米颗粒管阴极催化剂,能很好地催化双氧水还原并且对双氧水有耐腐蚀能力,同时具有氧气还原和双氧水还原的双重功能,可用作氧气/双氧水混合氧化剂的还原催化剂,提高了燃料电池的输出功率。这种简单的合成方法还可应用于其它金属纳米催化剂的合成及结构设计,以进一步提高催化效率。相关成果发表在德国《应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152)。

  该研究组应邀为德国《先进材料》撰写有关利用纳米材料的活性和化学反应性的模板法制备高质量纳米结构单元、以及由生物质制备高活性碳基纳米结构材料及应用的评述论文(Adv. Mater. 2010, 22, 3925–3937;Adv. Mater. 2010, 22, 813-828)。还应邀为英国皇家化学会《化学会评论》(Chem. Soc. Rev., in press)撰写有关纳米结构单元组装技术与仿生复合材料构筑研究进展的评述论文。

  这些研究得到了国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金委重点基金、科技部国际合作重点项目等的支持。