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納米線，比人類頭發(fā)還要細(xì)1000倍或更細(xì)，擁有高長徑比和獨(dú)特的物理化學(xué)特性，自1973年首次提出納米線的概念以來，科學(xué)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(yīng)用于電子學(xué)、光電子學(xué)、儲能以及生物學(xué)領(lǐng)域。盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)。例如，有序硅納米線結(jié)構(gòu)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(dá)86 GPa的超強(qiáng)抗拉強(qiáng)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?dú)w因于高各向異性的有序結(jié)構(gòu)和周期性的協(xié)同效應(yīng)，但其基本的內(nèi)在增強(qiáng)機(jī)制仍不清楚。為了促進(jìn)宏觀納米線組裝體的制備和應(yīng)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(shí)現(xiàn)無機(jī)納米線的精準(zhǔn)有序組裝；（2）納米線有序化的驅(qū)動機(jī)制；（3）納米線有序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用等，研究團(tuán)隊(duì)梳理了不同形式納米線組裝策略并總結(jié)了有序納米線結(jié)構(gòu)組裝原理方面取得的進(jìn)展，同時借助先進(jìn)表征手段實(shí)現(xiàn)納米線動態(tài)變化的原位監(jiān)測，最后結(jié)合多種功能納米線的有序化組裝和復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)了納米線有序結(jié)構(gòu)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(dǎo)組裝策略、油水界面震蕩誘導(dǎo)組裝策略等；液體中納米線組裝包括旋涂誘導(dǎo)組裝、攪拌誘導(dǎo)組裝、流體場誘導(dǎo)組裝、高速噴涂誘導(dǎo)組裝、刷涂誘導(dǎo)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(shù)、二維冰模板誘導(dǎo)組裝技術(shù)以及三維冰模板誘導(dǎo)組裝技術(shù)等。

同步輻射X射線散射技術(shù)是表征納米結(jié)構(gòu)的重要手段，可以提供納米結(jié)構(gòu)的尺寸、尺寸分布、形態(tài)、結(jié)晶度、組裝結(jié)構(gòu)甚至濃度或孔隙度等信息。材料科學(xué)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(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)納米線界面組裝過程的實(shí)時原位追蹤，探索了納米線的結(jié)構(gòu)演變過程，對后續(xù)精準(zhǔn)制備有序納米線結(jié)構(gòu)具有重要指導(dǎo)意義。與原位X射線技術(shù)不同，原位TEM可以獲得實(shí)時直觀的圖像，是觀察納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間的局部和動態(tài)反應(yīng)過程。

       圖1. 原位GISAXS研究納米線的界面組裝過程

與無序結(jié)構(gòu)相比，有序納米線組裝體可以在光學(xué)和電學(xué)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(xué)與工程系助理教授王金龍等采用LB界面組裝方法實(shí)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(luò)的有序Ag納米線網(wǎng)絡(luò)，從而獲得具有適當(dāng)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用的拓展。通過操縱Ag和W18O49納米線的共組裝結(jié)構(gòu)，制備了導(dǎo)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(jié)構(gòu)，實(shí)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(yīng)用場景，將Ag/W18O49共組裝納米線薄膜與鋁片集成，設(shè)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(jié)構(gòu)也可促進(jìn)分子或離子轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散，從而改善器件性能。研究人員采用改變納米線堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對納米線表面微化學(xué)環(huán)境的優(yōu)化。研究結(jié)果表明，具有有序組裝結(jié)構(gòu)的納米線催化劑的甲醇氧化反應(yīng)性能大約是無序結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)械性能、生動的結(jié)構(gòu)色和手性光學(xué)特征。受自然螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究人員提出了一種程序化和可規(guī)模化的刷涂納米線組裝策略，并制備了具有不同螺旋角的仿生扭轉(zhuǎn)膠合板結(jié)構(gòu)材料（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層間偏離角為10o時，復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和模量。

圖3. 納米線仿生螺旋結(jié)構(gòu)：優(yōu)異力學(xué)性能和手性光學(xué)特征。

納米線自組裝是指納米線從隨機(jī)無序狀態(tài)到高度有序結(jié)構(gòu)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(jī)制，討論了納米線組裝結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用之間的關(guān)系，突出了精準(zhǔn)制備納米線有序結(jié)構(gòu)的意義?；谀壳耙讶〉玫倪M(jìn)展以及存在的挑戰(zhàn)，作者認(rèn)為在對納米線動態(tài)過程的新認(rèn)知、發(fā)展具有精確結(jié)構(gòu)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(yù)測等方面仍需要更多的努力。

南科大材料科學(xué)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(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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