顶刊动态 | Nature子刊/AM/Nano Letters等纳米材料学术进展汇总【160618期】
1、Nature Communications：C-MoS2异质结构界面应变影响
二维（2D）材料由于电荷转移快，可用表面积高，光学和电学性能可控等优势，在电化学能量存储和转化方面应用广泛。堆叠2D材料产生异质界面，改善了材料的本征物理和化学性能。异质结构如何影响化学过程，探究这个问题受到材料设计路径的限制。结果2D材料的界面应变在化学和电化学过程中的影响仍待解决。
范德堡大学的Cary L. Pint团队通过研究C-MoS2界面，证明出垂直于堆叠2D方向的界面局部应变影响嵌入到MoS2晶格中锂金属的化学存储容量。另外，测出MoS2的平均应变约为0.1%，这是由于C和MoS2片层之间晶格失配所导致的，阳离子交换法促进嵌锂过程的进行。相比而言，在低电压嵌锂过程中， MoS2没有应变产生，对嵌锂过程没有促进作用。这个发现指出，异质结构界面的力学性能可以直接对化学热力学过程产生影响，此外，这种研究在电化学能量存储和转换、催化及传感等应用上有指导作用。
文献链接：Interface strain in vertically stacked two-dimensional heterostructured carbon-MoS2 nanosheets controls electrochemical reactivity（Nature communications，2016，DOI:10.1038/ncomms11796）
2、ACS Nano: 离子和离子强度对单个金纳米线吸附的影响
图2 不同激光强度和局部温度在不同溶液中的关系
界面粘结力和界面热阻是界面的两个重要性质，在热转移过程中起着重要作用。界面热阻取决于固夜界面之间的键强，随着界面润湿度的增加，热传输性能也适当地提高。目前的理论和实验证实出：金-水界面之间的热传输依赖于两者之间的相互作用强度。界面的润湿性能可以作为粘结能的指标参数，润湿度和粘结能成正相关性。此中不足的是，当前一系列实验的开展均从固/水角度来研究热传输，即使改善界面的化学性质也是从配合物修饰界面出发，仍然保持着固/水这种固液界面。
俄亥俄大学的Hugh H. Richardson教授团队，使用单光源激发金纳米线改变局部温度，并在一系列环境体系（空气、纯水及不同浓度的离子溶液）下测量界面粘结能和热传输性能。对应于不同激光强度，在纯水条件，不同离子强度溶液和温度变化梯度下，测出纳米线的截面吸附量。在光激发金纳米结构过程中，随着热量的产生，溶液中电荷不断被消耗，金纳米线细化。截面的吸附行为满足 Langmuir模型，纳米线截面吸附随离子强度降低而降低直至达到饱和吸附。温度动态测试单个金纳米线，得出在流动的离子溶液中温度骤降，这表明单光源技术可以作为探针探测溶液中离子。
文献链接：Effect of Ions and Ionic Strength on Surface Plasmon Absorption of Single Gold Nanowires（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b01677）
3、ACS Nano: 少量拓扑缺陷对碳纳米管的力学性能影响
图3 展开完美的碳纳米管与有拓扑缺陷的碳纳米管比较
碳纳米管（CNTs）是由一维结构卷曲形成的二维石墨， 其杨氏模量数值大，拉伸强度高。其杨氏模量不依赖于CNT的手性和直径，而拉伸强度和临界应变取决于它的手性角。近期，有报道指出CNTs的伸长失效值接近理论值，拉伸强度和临界应变数值可以说明，CNTs能建造出自然界强度最高的材料。但单个CNT无法在实际中广泛运用，因为其尺寸小，自组装技术合成多数目的CNTs不现实等因素。若制成CNT纤维，则可以很好的解决上述问题，并且其力学性能和单个CNT接近，同CNT一样耐高温，所以能很好地满足建造要求。但若单个CNT中存在缺陷对力学的性能影响仍需要研究。
香港理工大学丁峰教授报道出：CNT壁负载旋错拓扑缺陷后，不同的机械应力对应着不同的拉伸旋错位移，少量的旋错拓扑缺陷存在于圆柱形六面体网状中，会导致管壁突然弯曲或扭结。这部分区域会极大地影响应力分布，降低CNTs的机械强度。该结果表明，无缺陷的碳纳米管无法构建超强材料，而合成少量缺陷的CNT能达到碳纳米管的理想强度。
文献链接：The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s Mechanical Performance by a Few Topological Defects（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03231）
4、Advanced Materials: 低温合成Pt-Co合金
图4 合成示意图及EDS成分分析图
铂族金属存量稀少，开采成本高，但其催化性能在极其优异。因此致力于研究低成本的替代催化剂有着重大意义。当前，找寻的替代催化剂有杂原子掺杂碳，金属氮化物等。为了更高效利用现存的贵金属催化剂，普适的做法是把贵金属制成纳米颗粒，最大化的提高催化时的有效表面积，使用最少量催化剂以此来节约贵金属。进一步改善催化成本，可以使用低成本的金属（Fe、Co 、Ni和 Cu）来结合贵金属形成合金。这些合金如Pt3Co，不但提高了催化活性还提升了长期稳定性。
韩国科学技术院Sang Ouk Kim和Heeyeon Kim团队，采用化学气相沉积法制备出新型Pt-Co合金纳米催化剂。该方法要保证Pt-Co合金纳米颗粒具有高单分散性，贵金属含量控制在1at%以内。其合成出的产物最大的意义是在于在低温下能得到完美单晶结构合金，相比于合成传统合金此温度要低得多。
文献链接：Low-Temperature Chemical Vapor Deposition Synthesis of Pt–Co Alloyed Nanoparticles with Enhanced Oxygen Reduction Reaction Catalysis（Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201600469）
5、Angew. Chem: 各向异性沉积合成硅纳米线薄膜
图5 镀Si NWs的不锈钢SEM图
硅纳米材料具有高比表面积，孔隙和形貌可控，生物相容性好，化学和热稳定性好等优异性能，被广泛应用于合成功能材料的基底或模板材料。纳米线（NW）薄膜通过基于Si衬底组装成Si NWs至今还未有报道，这是因为合成高质量的Si NWs仍然很困难，必须要有架构。具有长径比大的Si纳米颗粒目前已通过气-液-固沉积，浇铸，溶胶-凝胶模板法，静电纺丝等手段制备出来。这些手段都需要特殊设备，产物量难控制并且颗粒在溶液中分散性差，所以需要发展新的技术来不断地生产高品质Si NWs。
复旦大学王亚军教授和他的团队合成出高灵活性和力学强度大的混合Si NWs，方法是在水/正戊醇乳液的水解原硅酸四乙酯的各向异性沉积，产物的平均直径约为80nm，调控长度达12μm，这项工作开辟了一步法基于溶液制备单分散疏水Si NWs的先河，代表着自下而上制备方法向三维超疏水材料和微孔膜迈出了重要一步。
文献链接：Synthesis of Discrete Alkyl-Silica Hybrid Nanowires and Their Assembly into Nanostructured Superhydrophobic Membranes（Angew. Chem , 2016, DOI: 10.1002/anie.201603644）
6、Nano Letters: CVD生长手性碳纳米管
图6 负电荷化生长超长CNTs e-VCA成像
碳纳米管（CNT）被认为是下一代集成电路（IC）行业最有希望的材料，若合成出手性结构必须要在某个方向进行特定生长。至于各种方法来控制CNT的手性指数，最为关键的还是需要深入了解化学气相沉积（CVD）催化生长机理。但是在机理理解方面必须要研究生长过程的电荷转移，所以系统研究电荷转移有着非常重大的意义。另外，单个CNT尺寸非常小，电荷容量低，任何接触测量电荷的方法都是不可行的，所以要设计出测量电荷的设备也很重要。
清华大学Peng Liu和Kaili Jiang等报道：使用Fe催化CVD过程，生长出的CNTs带有负电荷，带有的额外电子是由于CNTs在生长过程产生电荷和转移。表明在表面反应过程发生了电化学反应，然后该课题组设计出实时监测的设备，证实出CNTs的CVD生长可视为一次电池系统。此外，Fe催化剂的费米能级变化对CNTs的手性有着很大的影响。这个发现对CNTs的生长提供了新的展望，使用电化学方法也拓宽了控制CNTs生长的路径。
文献链接：Observation of Charge Generation and Transfer during CVD Growth of Carbon Nanotubes（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00841）
7、Nano Letters: 单分子探针探测分子反应过程
图7 单分子探针实时探测二次反应
反应化学和微纳加工是两套不同的技术，已经从彼此在过去几十年独立演化，另一方面，化学家开发的合成方法是由分子和大分子反应物参与，在不同领域已被设计出来并广泛运用。现今，合成化学出现了一种全新的技术，反应是在超小型化、纳米制造的反应室中进行。传统的化学反应，若仅有少量的分子参与反应时，无法确认合成路线在极小尺度上的转换。但若使用该方法可以精确控制路径。
哥伦比亚大学的 Ruben L. GonzalezJr、 Kenneth L. Shepard和Colin Nuckolls等人使用精确光刻纳米壁技术，对数百个单一碳纳米管晶体管实现单点共价化学，提供了强有力的统计学数据和前所未有的空间分辨率内收位点。每个设备作为传感器探测出连续化学反应，分子间的相互作用，以及分子构型变化过程中纳米管单点官能化量化变化。该团队使用一组连续的生物耦合反应使DNA的单链结合到设备表面并记录其可逆变化（可逆折叠成G-四结构）。碳纳米管器件纳米孔-密闭反应化学提供了一个普适的方法，在时间周期连续化学反应过程，用以分离和监视单个分子反应行为。
文献链接：Single-Molecule Reaction Chemistry in Patterned Nanowells（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02149）
8、Nature Communications：制备纳米材料的超稳态蛋白质模板
图8 线状模板中纳米颗粒的可控定位
随着纳米技术的进步，推动了纳米材料制造技术的发展。基于蛋白质结构模板制备纳米材料具有非常多的优点，结合基因的编码的功能，具有自组装的能力、可定义序列结构、并有自我纠错机制。而目前基于病毒等所构造出的常规蛋白质模板，极大限制了制备出其他形状的纳米材料。
加利福尼亚大学Dominic J. Glover等人构造出了一种稳定性高、容错率好、大小可控和结构对称的蛋白质结构模板。该模板为链条状，结合了蛋白质间相互作用的特异性与调整空间转换角度的优点。通过使用该模板可将纳米粒子于特定位置与角度制备出相应形状的纳米线状材料，同时可以相当宽泛地调节纳米线的空间几何结构，从而制备出功能性多样、结构迥异的纳米线。这种模板采用γ丝状蛋白（γPFD），并通过建立特定蛋白质支架系统来避免传统构造模板的局限性，这种丝状蛋白的链长达到3μm，表现出卓越的稳定性。
文献链接：Geometrical assembly of ultrastable protein templates for nanomaterials（Nature Communications, 2016, DOI:10.1038/ncomms11771）
该文献汇总由材料人编辑部学术组叶岚山和孔祥彬供稿，材料牛编辑整理。
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