頂刊動態 | Science/Nature子刊等納米材料前沿最新科研成果精選【第20期】

1、Chem. Rev. 納米顆粒或納米碳與超分子或聚合物凝膠的軟性納米復合材料及其應用

圖1?自組裝凝膠過程以及凝膠與納米碳的分子間反應

凝膠-納米顆粒復合材料和凝膠-納米碳復合材料是近年來發展非常迅速的新興先進材料。這類復合材料的特點是能夠同時表現出組分軟物質如凝膠和納米材料的性質。因此，許多關于凝膠因子的超分子化學研究以及納米材料的合成和物理化學性質研究都已展開。而將這些不同領域的研究整合在一起將會極大地推動多功能納米復合材料的發展。

近日，印度科學研究所（IISC）的S. Bhattacharya（通訊作者）等人發表綜述，回顧了各式各樣凝膠-納米復合材料的合成、性質和應用。這些材料主要由金屬納米顆粒或者納米碳（包括富勒烯、碳納米管以及石墨烯）與有機凝膠或者水凝膠復合而成。作者不僅介紹了凝膠因子動態超分子自組裝是作為納入各種維度納米材料的理想主體，還利用適當的原理解釋了這些復合材料所展現出的獨特性質。最后，研究人員還對下一代多功能凝膠-納米復合材料的設計和合成作了一番展望。

文獻鏈接：Soft-Nanocomposites of Nanoparticles and Nanocarbons with Supramolecular and Polymer Gels and Their Applications（Chem. Rev., 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00221）

2、Nano lett. 類核殼納米結構的三維自組裝制備高性能納米復合永磁體

圖2?類核殼Nd₂Fe₁₄B/α-Fe納米復合磁體的制備和表征

磁性材料的納米構造在制備超強永磁材料如高密度磁性記錄介質領域有著高度的需求。核殼結構通過調控納米晶的生長過程來精確控制材料的尺寸和形貌等，是制備高性能磁性材料的理想方法。然而，通過納米材料的化學合成方法實現核殼結構塊體永磁材料的制備依然是一個巨大的挑戰。

燕山大學的張湘義（通訊作者）和李曉紅（通訊作者）等人開發了一種類核殼納米結構的3D自組裝制備策略。為了闡述這一材料制備方法，研究人員選擇同時包含軟、硬磁相納米復合磁體作為合成對象。其中硬磁相為硬磁性Nd₂Fe₁₄B內核，而軟磁相為軟磁性α-Fe外殼。合成及后續的表征測量實驗表明，這一雙相復合磁體的磁能積能夠達到各向同性Nd₂Fe₁₄B/α-Fe的理論極限值。這一研究發現將會推動利用3D類核殼納米結構制備高性能永磁體技術的發展。

文獻鏈接：Three-Dimensional Self-Assembly of Core/Shell-Like Nanostructures for High-Performance Nanocomposite Permanent Magnets（Nano lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02210）

3、Nano lett. 磁致伸縮納米磁體從單疇到渦旋態的聲波誘導磁化轉換

圖3?四種鈷納米磁體的磁力顯微圖像

基于納米磁體的邏輯記憶器件雖然有諸多優點，但是在低能量耗散的條件下完成納米磁體的磁狀態轉換卻依然是非常困難的。雖然已有全局電場的方法可以實現，但是這種方法能量耗散過大導致技術限制頗多。近期的理論工作討論了利用聲波脈沖輔助納米磁體磁化轉換的可能性，為后續的實驗工作奠定了基礎。

弗吉尼亞聯邦大學的J. Atulasimha（通訊作者）課題組的研究人員在近期發表文章實驗性地證明了橢圓鈷（elliptical cobalt）納米磁體基于聲波（AW）的磁化轉換（magnetization switching）。在聲波的作用下，這種磁體能夠發生從單疇到渦旋態磁化轉換。經過這種磁化轉換，磁體能夠轉換到穩定的渦旋態，直到施加外加磁場使得磁化狀態重置。研究人員表示，雖然這些研究成果意味著涉及到復雜的轉換機制，但是目前的工作依然為磁化轉換的低能記憶設計提供了可能的方案。

文獻鏈接：Acoustic-Wave-Induced Magnetization Switching of Magnetostrictive Nanomagnets from Single-Domain to Nonvolatile Vortex States（Nano lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02342）

4、Nat. Commun. 球形受限的膠狀膽甾相液晶

圖4?Ch-CNC懸浮液的微流體乳化產生液滴

對納米顆粒在約束幾何空間（constrained geometries）里的排列的研究有著非常重要的現實意義。納米膠體的球形受限（spherical confinement）在膠狀液體的堆積、自組裝及相分離等現象上都創造了新的模式。但是目前對于膠體液晶（colloidal liquid crystals）的研究依然非常有限，特別是對于膽甾相（Ch）液晶的研究。膠狀膽甾相液晶的液滴具有拓撲性質的缺陷，可以被用于軟物質的基礎研究，也可以作為分子或顆粒的排列模板。

肯特州立大學的O. D. Lavrentovich（通訊作者）以及多倫多大學的E. Kumacheva（通訊作者）等人近期發表文章報道了微米級液滴球形受限的Ch液晶中棒狀纖維納米晶（CNCs）的排列組織。研究人員發現，與膽甾相聚芳酯熱致液晶截然不同的是，Ch-CNC液晶的受限導致了相分離，其中液滴核心為各向同性相，而液滴外圍是CNC層同心堆積的Ch相。通過這一現象，研究人員證明了利用親水介質（如CNC懸浮液）中的拓撲缺陷（如液滴內核），也可以實現納米顆粒的排列組合。

文獻鏈接：Colloidal cholesteric liquid crystal in spherical confinement（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12520）

5、Science 可用于人體散熱的納米多孔聚乙烯織物

圖5?nanoPE的形貌和光學性質

能源枯竭與氣候變化是21世紀人類需要面對的兩大主要議題。由于這兩大議題是息息相關的，因此開發可再生能源代替現有能源并以此希望改善氣候惡劣程度就成為了亟待解決的問題。事實上，除了開發新能源，提高能源利用效率是當前緩解能源危機最具性價比的方法。從人類自身的角度來講，改善個人散熱和供熱的熱能管理方式是節約能源的有效手段。

斯坦福大學的崔屹教授（通訊作者）團隊開發出一種納米孔聚乙烯（nanoPE）織物，利用這種多孔高分子織物可以實現體表無能耗散熱管理。研究表明，人體是優良的紅外輻射源，而孔徑在50-1000納米的nanoPE材料在阻止可見光透過的同時又能允許中紅外輻射透過，這樣一來就可以實現體表的有效散熱。該團隊研究人員將nanoPE材料做了一定的處理，使其在保持散熱功能的同時還能保留透氣率以及可穿戴機械強度等正常紡織物的性能。這項發明雖然還需要在諸如洗滌次數、耐磨度等性能上進行開發和完善，但無疑是一種可以有效改善個人熱能管理效能的紡織品材料。

文獻鏈接：Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf5471）

6、ACS Nano 惰性氣體離子輻照下模擬石墨烯中缺陷的形成

圖6?石墨烯在25kV的He⁺離子輻照下缺陷形成的過程模擬圖

石墨烯由排列在六方網絡中的共價鍵結合的碳原子組成，是理想的二維材料。由于它具有卓越的機械、電子、熱學和化學性質等而受到廣泛研究，通常通過惰性氣體離子輻照的方式來研究其性能。但是關于缺陷形成等相關的動態過程的細節尚未得到徹底研究。

最近，美國賓夕法尼亞州立大學的Adri C.T. van Duin（通訊作者）等人通過模擬研究了石墨烯在惰性氣體離子輻照下原子尺度細節的變化，并監控了退火過程中由于輻照離子類型和劑量的不同所導致的不同的缺陷的演化。研究發現，退火使缺陷重塑成納米孔或非晶等更加穩定的結構。該研究有利于科學家更加深入的理解石墨烯中的孔隙，并為設計功能化碳材料奠定了基礎。

文獻鏈接：Atomistic-Scale Simulations of Defect Formation in Graphene under Noble Gas Ion Irradiation （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03036）

7、ACS Nano 單層石墨烯異質結構的電化學氧化還原研究

圖7?前驅體GO分別在在周期性電壓和穩定電壓（0.8V）下的熒光示蹤

石墨烯有GO和rGO等很多類似物。GO是邊緣部位具有羧基、基底面上有羥基和環氧基團等含氧官能團的氧化石墨烯片，官能團的量會對GO和rGO的產量有影響，從而影響光電性能。因此，對電化學氧化還原機制的深入理解至關重要。

最近，長春應化所的徐維林（通訊作者）等人通過全內反射熒光顯微鏡，對單層石墨烯的電化學誘導熒光進行實時監控。研究發現：在周期性電壓下，單層石墨烯的熒光效應表現出周期性變化，并可通過電壓來調節，此過程中沒有激光效應，同時也揭示了單層石墨烯的動力學和氧化還原誘導的時空異質性。該發現有助于對單層石墨烯的帶隙進行精確調整，進一步促進其在光電器件中的應用。

文獻鏈接：Observing the Heterogeneous Electro-redox of Individual Single-Layer Graphene Sheets （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03327）

8、ACS Nano 金屬-氨基酸生物配位聚合物（BCP）納米線的手性識別

圖8?Cd(II)/_DL-半胱氨酸（a）、Cd(II)/_L-半胱氨酸（b）、Cd(II)/_D-半胱氨酸（c） BCPs的SEM和XRD

分子材料與器件在過去的幾十年中受到廣泛研究，對器械小型化和高效率的要求能對這些分子材料在納米級電子結構進行自由、準確地操縱。但由于大多所使用分子的π共軛及其結構的有限性使這成為一大挑戰。由金屬離子和有機配體制備的配位聚合物（CPs）由于具有無限結構和多種性能而成為候選材料。

最近，國家納米科學中心的唐智勇（通訊作者）、劉雅玲（通訊作者）和閩南師范大學的李順興（通訊作者）等人通過自組裝的方法合成了一系列由不同的手性和半胱氨酸Cd（II）離子的納米BCPs。研究發現：Cd(II)/_DL-半胱氨酸納米線的電導率是Cd(II)/_L-半胱氨酸或Cd(II)/_D-半胱氨酸的4倍，BCP的納米結構、形貌、性能等可以通過配體的手性來調節。該研究闡明了手性轉錄和手性功能材料的組裝。

文獻鏈接：Chirality-Discriminated Conductivity of Metal–Amino Acid Biocoordination Polymer Nanowires （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03833）

9、ACS Nano 窄發光帶寬的具有表面氮的硅納米顆粒的量子產率達90%

圖9?Si NPs的PL和在自然光下的圖示

硅納米顆粒（NPs）由于具有無毒、成本低、儲量大等優點，成為發光領域和生物成像領域中量子點和商用有機染料等廣為接受的替代材料。不過，如何提高Si納米顆粒的PL性能（如超高量子產率，尖銳的發射峰，高穩定性等）仍是阻礙其發展的主要問題。

最近，美國卡耐基梅隆大學的金榮超教授（通訊作者）等人通過理論和實驗分析，結合基于表面覆蓋氮的硅納米顆粒配體結構的光致發光能量定律，全面的研究了粒子尺寸、結構和配體的量對PL的影響。所制備的Si NPs的量子產率高達90%，并具有狹窄的PL帶寬（半高寬約為40nm）。這使其可以與商用染料和量子點相媲美。該研究將會極大的促進Si NPs的商用化。

文獻鏈接：Silicon Nanoparticles with Surface Nitrogen: 90% Quantum Yield with Narrow Luminescence Bandwidth and the Ligand Structure Based Energy Law （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03113）

10、ACS Nano 高導電性的碳納米管微結構的3D打印

圖10?3D打印工藝原理圖

印刷技術提供了在不同的柔性基板上快速、廉價地印刷電路的手段。不過，傳統的圖形打印方法只局限在2D或僅在平坦襯底上，而在不平基板上的3D圖案在未來的應用中是必不可少的。

最近，韓國電工研究所（KERI）的Seung Kwon Seol（通訊作者）0等人使用聚乙烯吡咯烷酮包裹碳納米管油墨使形成流體油墨快速凝固，通過微噴管打印出具有高導電的多壁碳納米管（MWNT）的3D微結構。經過熱處理后，碳納米管的濃度高達75wt%，并可以形成各種3D微結構。這項技術將有利于促進材料選擇的多樣性。

文獻鏈接：Three-Dimensional Printing of Highly Conductive Carbon Nanotube Microarchitectures with Fluid Ink （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04771）

本文由材料人納米學習小組shixiong chern和朱曉秀提供，材料牛編輯整理。

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