比空气还轻？中国科学家研制新型超轻纳米材料
近日，国防科大航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室张长瑞教授团队成功研制出一种具有超强吸附能力的新型超轻纳米材料。该项研究成果内容被《自然》子刊《科学报告》录用。
“这种材料结构上由一维氮化硼纳米管和二维氮化硼纳米晶片复合而成，密度低至0.6mg/cm3，仅为空气的一半，水的1/1600，可以说整个材料内部充满了气孔。研究表明它可选择性吸附自重160倍以上的有机物。”主要完成人李斌副研究员介绍。该材料在航空航天高温热防护、高腐蚀环境下催化、有毒化学物质吸附和清除等领域有重要的应用前景。
力学所在纳米材料弹性理论研究中取得进展
纳米材料较大的表面积与体积比导致其力学行为呈现尺寸相关性(即纳米材料表面效应)，经典连续介质力学理论与尺寸无关，不再适用于预测纳米材料力学行为，发展考虑表面效应的弹性力学理论成为必要。
已有考虑表面效应的理论模型多基于表面弹性理论，即将纳米材料的表面看成无厚度表面层，且符合表面弹性本构关系，不可避免地引入表面弹性常数。目前为止，实验无法测量该表面弹性常数，数值方法(例如分子动力学)对表面弹性常数的确定亦受势函数选择、数值模型尺寸、表面原子层数的选择等因素影响。
鉴于以上原因，中国科学院力学研究所仿生材料与固体的微尺度力学科技组在连续介质力学框架下，基于表面能密度发展了一种描述纳米材料表面效应的理论模型，并合理表征多种典型纳米材料的实验力学行为。
相比于经典弹性力学理论，纳米材料总势能除了外力功和体内弹性应变能外，还包括表面自由能(当前构型的表面自由能包括表面弛豫及外载引起的表面能，如图1所示)。通过变分原理得到纳米材料体内平衡方程以及边界条件。考虑纳米材料表面的影响，体内平衡方程没有发生任何改变，只是边界条件中额外增加了表面引起的面力项。在已有理论中，表面引起的面力与表面应力相关，而表面应力与表面应变符合表面弹性本构关系。新的理论中，应用虚功原理建立纳米材料表面能密度与表面引起面力的解析关系，而纳米材料表面能密度依赖于块体材料的表面能密度及纳米材料表面弛豫参数，避免了表面弹性常数的引入，仅包含物理意义明确的块体材料表面能密度和表面晶格弛豫参数，两类参数可以通过实验及简单数值计算获得，目前在材料手册或文献中亦可获得。
应用新理论模型解析表征了纳米薄膜双轴拉伸、固支及悬臂纳米梁弯曲、纳米梁振动频率、纳米颗粒表面能密度等问题中材料力学行为的尺寸效应，得到了与已有实验、数值计算一致的结果。进一步发现：无外载情况下的表面晶格收缩使得纳米材料发生硬化；当施加拉伸载荷时，随着拉伸应变的增大，纳米材料逐渐由硬化转为软化，如图2所示；揭示了纳米材料表现出的软化及硬化现象实质是表面弛豫压应变与外载产生拉应变竞争的结果。
上述研究获得国家自然科学面上基金、国际杰出青年科学基金以及科技部纳米“973”项目基金的支持。
上海有机所等在淀粉样蛋白质纳米材料研究中取得进展
淀粉样聚集体是蛋白质/多肽高度有序自组装排列形成的复合体。其产生不仅与多种人类重大疾病(如阿尔兹海默症、渐动人症及帕金森症等)密切相关，也直接参与到多个重要的生物学过程(如长程记忆、激素的调控及细胞坏死等)中。除了其重要的病理及生理作用外，淀粉样聚集体由于其结构的高度有序性、稳定性及生物相容性，以及自组装过程的可操控性等优点，为生物纳米材料的设计提供了重要的天然超分子骨架结构。如何能够准确地设计出具有特定结构及功能的淀粉样生物纳米材料成为新兴的研究热点。
中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪课题组与上海应用物理研究所张益、胡钧课题组，以及复旦大学韦广红课题组合作在《美国科学院院刊》发表了题为Tunable assembly of amyloid-forming peptides into nanosheets as a retrovirus carrier(《可控功能性淀粉样纳米片的设计及其在病毒转染中的应用》)的研究论文。该文章报道了由阿尔兹海默症关键蛋白Abeta核心肽段自组装形成的全新淀粉样聚集体的发现、结构表征和基于结构设计的蛋白质纳米材料在病毒转染中的应用。
研究团队首次发现了源自阿尔兹海默症关键蛋白Abeta的聚集核心多肽能形成独特的巨型淀粉样纳米片层结构。通过多种生物物理学及计算机辅助模拟等方法，揭示独特片层形成的原子结构基础。基于结构信息，通过定点嵌入功能性氨基酸设计制备出一系列具有提高病毒转染效率的功能性淀粉样片层纳米材料(其效率是商业化病毒转染试剂的二至三倍)。进一步通过设计得到多个具有形成淀粉样纳米片层结构能力的全新人工多肽序列，为淀粉样片层结构更广泛的设计及应用提供了重要的基础。该工作为淀粉样聚集体结构的多样性提供了重要的实验证据，为基于淀粉样生物纳米材料原子结构的合理设计和全新应用提供了方法学的依据和成功的范例。
刘聪课题组的代彬和李丹为论文共同第一作者。其他作者还包括复旦大学的郗文辉和韦广红，中科院应用物理研究所的张益和胡钧，交叉中心罗芳、张翔、邹曼及王文元以及国家蛋白质中心的曹密。刘聪、张益及韦广红为共同通讯作者。该工作得到了中组部青年千人计划、科技部“863”计划青年科学家专题、国家自然科学基金委员会及中国博士后基金等的大力资助。
青岛能源所在软质纤维状纳米材料研究中取得进展
经过数亿年的自然进化，自然界形成了众多具有优异高强超韧性能的生物复合材料。其中具有二维几何形貌的纳米构筑单元(如贝壳中的叶片状霰石与骨骼中的片状磷灰石)对这些材料的性能起到了关键作用，因此合成具有一定几何形状与性质的二维片层结构也逐渐成为研究热点。而石墨烯片层对电子的二维量子约束效应也使人们的研究兴趣转移到具有各向异性和量子尺寸效应的二维金属纳米晶体。二维金纳米晶体，由于其形状、结构及外界环境对其性能的决定性影响，近年出现了多种新的合成方法，并在光学、力学、电学、催化、传感器以及生物医药方面展现了广泛的应用潜力。虽然科研人员已在金纳米晶体的形状与尺寸控制合成方面做了大量工作，但目前合成的二维金纳米晶体，其尺寸仅限纳米与微米尺度。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的仿生智能材料团队在研究员李朝旭的带领下，在软质纤维状纳米材料方面有了新的研究进展。该课题组利用一种独特的蛋白质自组装结构——淀粉样纳米纤丝合成了边长接近半毫米的二维单晶金片。相关研究成果已发表在Advanced Materials上。
由于淀粉样纳米纤丝极高的长径比和优异的力学性能，李朝旭自2009年在苏黎世联邦理工学院开始利用淀粉样纳米纤丝构筑功能材料(如水凝胶、人工骨骼及石墨烯复合纸)。随后，他与合作者成功制备了一种基于纳米金片/淀粉样纤丝的复合薄膜材料，可应用于食品包装、化妆品及装饰等领域。最近，利用一种简单的“一步合成”方法，他们合成了具有不同厚度的大尺寸二维金单晶。
这种二维金单晶表面积超过104平方微米，厚度超过100纳米。由于纳米材料存在的潜在健康问题，该二维金单晶所具有的超过纳米尺度的几何形貌，对进一步拓展金单晶的应用空间具有重要价值。同化妆品行业、钟表和珠宝行业一样，金在食品领域长期作为甜点、饮品等食物的高档包装。由于其原子尺度的光滑表面，该二维金单晶有望作为金箔的替代品，大大降低黄金的实际用量。
这种新颖的肉眼可见的二维材料也可应用于光学及电子纳米器件、纳米天线、传感和成像等领域。另外，通过与聚氨酯复合，他们制备了一种独特的柔性导电薄膜，具有应变应力传感行为。
此项研究得到了科技部、国家自然科学基金以及青岛市科技的项目支持。
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