南科大俞书宏院士团队在纳米线自组装原理、精准控制及组装体应用领域取得新进展
2022年06月07日 科研新闻 浏览量 :3154

近日,南方科技大学材料科学与工程系、化学系讲席教授、中国科学院院士俞书宏团队围绕纳米线自组装原理、精准控制及组装体应用领域开展了系统的研究,受邀在Accounts of Chemical Research发表评述论文:“Self-Assembly of Nanowires: From Dynamic Monitoring to Precision Control”。

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纳米线,比人类头发还要细1000倍或更细,拥有高长径比和独特的物理化学特性,自1973年首次提出纳米线的概念以来,科学家们已成功合成数以百计的具有不同组分和长径比的纳米线,并广泛应用于电子学、光电子学、储能以及生物学领域。尽管已经取得了很大的进展,但如何有效地将纳米线组装成宏观尺度材料已成为纳米线应用未来发展亟需解决的基本问题。近年来,研究人员一直在尝试将纳米线组装成有序排列的结构。例如,有序硅纳米线结构可以提高电池的离子传输效率;有序纤维素纤维显示出高达86 GPa的超强抗拉强度;有序贵金属纳米线可以提高催化性能。这些性能提高主要归因于高各向异性的有序结构和周期性的协同效应,但其基本的内在增强机制仍不清楚。为了促进宏观纳米线组装体的制备和应用,需要深入了解纳米线自组装的动态变化过程。

基于“纳米线自组装”面临的挑战:(1)如何实现无机纳米线的精准有序组装;(2)纳米线有序化的驱动机制;(3)纳米线有序结构的应用等,研究团队梳理了不同形式纳米线组装策略并总结了有序纳米线结构组装原理方面取得的进展,同时借助先进表征手段实现纳米线动态变化的原位监测,最后结合多种功能纳米线的有序化组装和复杂多级结构的构筑,实现了纳米线有序结构的新颖性质或性能增益。

根据纳米线的状态不同,作者从三个方面阐述了纳米线组装策略:液体界面纳米线组装、液体中纳米线组装以及固体间隙纳米线组装。其中,液体界面组装包括Langmuir-Blodgett(LB)策略、气-油-水三相界面蒸发诱导组装策略、油水界面震荡诱导组装策略等;液体中纳米线组装包括旋涂诱导组装、搅拌诱导组装、流体场诱导组装、高速喷涂诱导组装、刷涂诱导组装等;固体间隙纳米线组装包括PDMS印章模板纳米压印组装技术、二维冰模板诱导组装技术以及三维冰模板诱导组装技术等。

同步辐射X射线散射技术是表征纳米结构的重要手段,可以提供纳米结构的尺寸、尺寸分布、形态、结晶度、组装结构甚至浓度或孔隙度等信息。材料科学与工程系助理教授何振等利用LB界面组装与同步辐射GISAXS技术结合,实现纳米线界面组装过程的实时原位追踪,探索了纳米线的结构演变过程,对后续精准制备有序纳米线结构具有重要指导意义。与原位X射线技术不同,原位TEM可以获得实时直观的图像,是观察纳米结构动态过程的另一种有效手段,据此提出了利用TEM内的电子束作为能量源和成像工具来探索组装纳米线结构之间的局部和动态反应过程。

微信图片编辑_20220530105816.jpg       图1. 原位GISAXS研究纳米线的界面组装过程

与无序结构相比,有序纳米线组装体可以在光学和电学等方面带来性能提升。为了充分利用有序纳米线阵列并最大限度提高光电性能,材料科学与工程系助理教授王金龙等采用LB界面组装方法实现Ag纳米线和Te纳米线的共组装,得到具有平行间距或交叉排列网络的有序Ag纳米线网络,从而获得具有适当导电性(2.7-40 Ω/sq)和透明度(73.8-97.3%)的透明电极。

纳米线共组装策略可通过整合不同功能纳米线来实现应用的拓展。通过操纵Ag和W18O49纳米线的共组装结构,制备了导电性和透明度可精确控制的电致变色器件(图2)。此外,研究人员开发了W18O49和V2O5 纳米线共组装结构,实现高性能多色显示电致变色器件。为了展示用于更多的应用场景,将Ag/W18O49共组装纳米线薄膜与铝片集成,设计了一种自供电且柔性的电致变色智能窗。

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图2. 基于纳米线的电致变色器件。

除有效的光电传输外,有序纳米线结构也可促进分子或离子转移或扩散,从而改善器件性能。研究人员采用改变纳米线堆叠结构实现了对纳米线表面微化学环境的优化。研究结果表明,具有有序组装结构的纳米线催化剂的甲醇氧化反应性能大约是无序结构的两倍。

由以一定层间角度排列的一维纳米线/纤维/纳米棒堆积而成的螺旋结构广泛存在于天然材料中,如水果、甲虫、鱼鳞、骨骼和甲壳类动物的角质层,并表现出良好的机械性能、生动的结构色和手性光学特征。受自然螺旋结构启发,研究人员提出了一种程序化和可规模化的刷涂纳米线组装策略,并制备了具有不同螺旋角的仿生扭转胶合板结构材料(图3)。研究发现,当层间偏离角为10o时,复合材料表现出更高的强度和模量。

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图3. 纳米线仿生螺旋结构:优异力学性能和手性光学特征。

纳米线自组装是指纳米线从随机无序状态到高度有序结构的状态变化。该评述论文首先分析了纳米线有序化策略的组装原理,深入研究了纳米线动态组装过程的基本机制,讨论了纳米线组装结构-性能-应用之间的关系,突出了精准制备纳米线有序结构的意义。基于目前已取得的进展以及存在的挑战,作者认为在对纳米线动态过程的新认知、发展具有精确结构控制的高效或大规模组装策略以及纳米线组装体的功能定制和预测等方面仍需要更多的努力。

南科大材料科学与工程系助理教授何振、王金龙为论文的第一作者,俞书宏院士为论文通讯作者,南科大为论文第一单位,本研究得到了科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目的支持。

 

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00052 

 

供稿:材料科学与工程系

通讯员:周斌

主图:丘妍

编辑:朱增光


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