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納米線，比人類頭發(fā)還要細1000倍或更細，擁有高長徑比和獨特的物理化學特性，自1973年首次提出納米線的概念以來，科學家們已成功合成數(shù)以百計的具有不同組分和長徑比的納米線，并廣泛應用于電子學、光電子學、儲能以及生物學領域。盡管已經(jīng)取得了很大的進展，但如何有效地將納米線組裝成宏觀尺度材料已成為納米線應用未來發(fā)展亟需解決的基本問題。近年來，研究人員一直在嘗試將納米線組裝成有序排列的結構。例如，有序硅納米線結構可以提高電池的離子傳輸效率；有序纖維素纖維顯示出高達86 GPa的超強抗拉強度；有序貴金屬納米線可以提高催化性能。這些性能提高主要歸因于高各向異性的有序結構和周期性的協(xié)同效應，但其基本的內(nèi)在增強機制仍不清楚。為了促進宏觀納米線組裝體的制備和應用，需要深入了解納米線自組裝的動態(tài)變化過程。

基于“納米線自組裝”面臨的挑戰(zhàn)：（1）如何實現(xiàn)無機納米線的精準有序組裝；（2）納米線有序化的驅(qū)動機制；（3）納米線有序結構的應用等，研究團隊梳理了不同形式納米線組裝策略并總結了有序納米線結構組裝原理方面取得的進展，同時借助先進表征手段實現(xiàn)納米線動態(tài)變化的原位監(jiān)測，最后結合多種功能納米線的有序化組裝和復雜多級結構的構筑，實現(xiàn)了納米線有序結構的新穎性質(zhì)或性能增益。

根據(jù)納米線的狀態(tài)不同，作者從三個方面闡述了納米線組裝策略：液體界面納米線組裝、液體中納米線組裝以及固體間隙納米線組裝。其中，液體界面組裝包括Langmuir-Blodgett(LB)策略、氣-油-水三相界面蒸發(fā)誘導組裝策略、油水界面震蕩誘導組裝策略等；液體中納米線組裝包括旋涂誘導組裝、攪拌誘導組裝、流體場誘導組裝、高速噴涂誘導組裝、刷涂誘導組裝等；固體間隙納米線組裝包括PDMS印章模板納米壓印組裝技術、二維冰模板誘導組裝技術以及三維冰模板誘導組裝技術等。

同步輻射X射線散射技術是表征納米結構的重要手段，可以提供納米結構的尺寸、尺寸分布、形態(tài)、結晶度、組裝結構甚至濃度或孔隙度等信息。材料科學與工程系助理教授何振等利用LB界面組裝與同步輻射GISAXS技術結合，實現(xiàn)納米線界面組裝過程的實時原位追蹤，探索了納米線的結構演變過程，對后續(xù)精準制備有序納米線結構具有重要指導意義。與原位X射線技術不同，原位TEM可以獲得實時直觀的圖像，是觀察納米結構動態(tài)過程的另一種有效手段，據(jù)此提出了利用TEM內(nèi)的電子束作為能量源和成像工具來探索組裝納米線結構之間的局部和動態(tài)反應過程。

       圖1. 原位GISAXS研究納米線的界面組裝過程

與無序結構相比，有序納米線組裝體可以在光學和電學等方面帶來性能提升。為了充分利用有序納米線陣列并最大限度提高光電性能，材料科學與工程系助理教授王金龍等采用LB界面組裝方法實現(xiàn)Ag納米線和Te納米線的共組裝，得到具有平行間距或交叉排列網(wǎng)絡的有序Ag納米線網(wǎng)絡，從而獲得具有適當導電性（2.7-40 Ω/sq）和透明度（73.8-97.3%）的透明電極。

納米線共組裝策略可通過整合不同功能納米線來實現(xiàn)應用的拓展。通過操縱Ag和W18O49納米線的共組裝結構，制備了導電性和透明度可精確控制的電致變色器件（圖2）。此外，研究人員開發(fā)了W18O49和V2O5 納米線共組裝結構，實現(xiàn)高性能多色顯示電致變色器件。為了展示用于更多的應用場景，將Ag/W18O49共組裝納米線薄膜與鋁片集成，設計了一種自供電且柔性的電致變色智能窗。

圖2. 基于納米線的電致變色器件。

除有效的光電傳輸外，有序納米線結構也可促進分子或離子轉(zhuǎn)移或擴散，從而改善器件性能。研究人員采用改變納米線堆疊結構實現(xiàn)了對納米線表面微化學環(huán)境的優(yōu)化。研究結果表明，具有有序組裝結構的納米線催化劑的甲醇氧化反應性能大約是無序結構的兩倍。

由以一定層間角度排列的一維納米線/纖維/納米棒堆積而成的螺旋結構廣泛存在于天然材料中，如水果、甲蟲、魚鱗、骨骼和甲殼類動物的角質(zhì)層，并表現(xiàn)出良好的機械性能、生動的結構色和手性光學特征。受自然螺旋結構啟發(fā)，研究人員提出了一種程序化和可規(guī)?；乃⑼考{米線組裝策略，并制備了具有不同螺旋角的仿生扭轉(zhuǎn)膠合板結構材料（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，當層間偏離角為10o時，復合材料表現(xiàn)出更高的強度和模量。

圖3. 納米線仿生螺旋結構：優(yōu)異力學性能和手性光學特征。

納米線自組裝是指納米線從隨機無序狀態(tài)到高度有序結構的狀態(tài)變化。該評述論文首先分析了納米線有序化策略的組裝原理，深入研究了納米線動態(tài)組裝過程的基本機制，討論了納米線組裝結構-性能-應用之間的關系，突出了精準制備納米線有序結構的意義。基于目前已取得的進展以及存在的挑戰(zhàn)，作者認為在對納米線動態(tài)過程的新認知、發(fā)展具有精確結構控制的高效或大規(guī)模組裝策略以及納米線組裝體的功能定制和預測等方面仍需要更多的努力。

南科大材料科學與工程系助理教授何振、王金龍為論文的第一作者，俞書宏院士為論文通訊作者，南科大為論文第一單位，本研究得到了科技部國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金重點項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00052 

參考資料：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202205/42268.html