清華王訓Nat. Commun.：具有全光譜吸收和光響應性能的原子級尺寸的氧化鉬納米環

【引言】

? 納米科學的基本目標之一是理解材料的尺寸效應，基于納米科學衍生出許多重要研究領域，如：量子點、表面等離子體共振和低維納米結構等。然而，隨著納米材料家族的逐漸壯大，僅僅將材料尺寸縮小到納米尺寸已經很難觀察到所期待的新效應。單純從邏輯上考慮，當材料縮小到原子級別時，材料表面將會裸露大量的自由電荷，這將使得材料擁有一系列前所未有的性能，如：光熱轉換效應、光驅動效應等。因此，擁有等離子體效應或者光電性能的納米尺寸材料將有助于探索和擴展它們的光學性質。

? 近些年，大量的研究集中在光敏復合材料，這些材料在微納器件具有廣闊的前途。將光熱轉換材料引入聚合物中是制備光驅動復合材料的有效方法，該方法可以使得聚合物擁有形狀記憶、結構形變以及自愈合特性。至今，主要的光驅動材料主要包括如：偶氮苯、碳基材料（碳納米管和石墨烯）、液晶彈性體、過渡金屬硫化物等。然而，大部分光驅動材料與聚合物的兼容性都不太好，并且存在較低的光熱轉換效率的問題。因此，尋找一種具有優秀的光熱轉換效率以及與聚合物兼容的納米材料變得十分重要。

【成果簡介】

近日，清華大學王訓教授(通訊作者)等人在Nat. Commun.上發表了一篇名為“Atomic-level molybdenum oxide nanorings with full-spectrum absorption and photoresponsive properties”的文章。該文章報道了一種制備硫摻氧化鉬納米環材料的簡易方法。這種原子級尺寸的納米環表現出優秀的光熱轉換效率。此外，該材料與聚合物具有良好的兼容性，摻該材料的環氧樹脂具有形狀記憶、自愈合、可塑性等性質。

【圖文簡介】

圖1：硫摻雜氧化鉬多層納米環(mSMO)的形貌表征

(a, b). mSMO 納米環的SEM圖；

(c). 剛合成的mSMO材料樣品；

(d). 高壓釜反應生成的1.5g樣品；

(e). mSMO納米環HAADF-STEM圖；

(f). mSMO納米環HRTEM圖；

(g). mSMO納米環的結構模型。

圖2：mSMO 納米環的結構分析

(a). 不同Mo/S摩爾比對XRD峰的影響；

(b). 六方MoO₂納米片的結構模型；

(c, d). MoO₂納米片、mSMO納米環、MoO₂薄片和MoO₃薄片的XANES衍射譜和FT譜；

圖3：納米環的形成機制

(a). 單層納米環的TEM圖，插圖為HAADF-STEM圖；

(b). 多層納米環的晶格應力梯度分析；

(c). MoO₂薄片、MoO₂納米片和SeMO納米環的FT譜；

(d). MoO₂薄片、MoO₂納米片和SeMO納米環的紫外-可見漫反射譜。

圖4：sSMONRs-PDMS復合材料的光致熱性能

(a). 1 W/cm²的紅外808 nm激光照射下，sSMONRs-PDMS復合材料的溫度隨時間的變化；

(b). 不同復合材料的最高光致熱溫度；

(c). sSMONRs-PDMS復合材料和mSMONRs-PDMS復合材料在不同光功率照射下達到的局部溫度；

(d-k). sSMONRs-PDMS復合材料在光照30秒內熱電偶檢測照片。

圖5：sSMONRs在聚合物中的光致熱效應原理圖

在光照情況下，sSMONRs對光進行吸收，并將光轉換成熱量再傳遞給聚合物。

圖6：sSMONRs-環氧樹脂復合材料的光活化性能

(a). 復合材料的合成過程；

(b). 復合材料在光照情況下的形狀記憶效果；

(c). 復合材料的照片與光熱照圖；

(d). 紅外光照射下，復合材料的自愈合性能；

(f). 紅外光照射下，復合材料的可逆驅動與動態結構。

【小結】

文章報道了一種簡易、可大面積制備硫摻雜的氧化鉬納米環(SMO NRs)材料，該納米環的厚度只有0.5 nm相當于2-3層原子厚度。該材料表現出優異的光熱轉換效率，1 W/cm²的紅外激光照射30秒可使摻有該材料的PDMS溫度達到400℃。此外，用該材料制備的復合環氧樹脂材料具有優良的形狀記憶、自愈合、可逆驅動等特性。該研究將為推動原子級納米材料的進步作出重要貢獻。

文獻鏈接：Atomic-level molybdenum oxide nanorings with full-spectrum absorption and photoresponsive properties (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00850-8)

本文由材料人電子電工學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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