顶刊动态 | Science/Nature子刊等纳米材料前沿最新科研成果精选【第20期】

1、Chem. Rev. 纳米颗粒或纳米碳与超分子或聚合物凝胶的软性纳米复合材料及其应用

图1 自组装凝胶过程以及凝胶与纳米碳的分子间反应

凝胶-纳米颗粒复合材料和凝胶-纳米碳复合材料是近年来发展非常迅速的新兴先进材料。这类复合材料的特点是能够同时表现出组分软物质如凝胶和纳米材料的性质。因此，许多关于凝胶因子的超分子化学研究以及纳米材料的合成和物理化学性质研究都已展开。而将这些不同领域的研究整合在一起将会极大地推动多功能纳米复合材料的发展。

近日，印度科学研究所（IISC）的S. Bhattacharya（通讯作者）等人发表综述，回顾了各式各样凝胶-纳米复合材料的合成、性质和应用。这些材料主要由金属纳米颗粒或者纳米碳（包括富勒烯、碳纳米管以及石墨烯）与有机凝胶或者水凝胶复合而成。作者不仅介绍了凝胶因子动态超分子自组装是作为纳入各种维度纳米材料的理想主体，还利用适当的原理解释了这些复合材料所展现出的独特性质。最后，研究人员还对下一代多功能凝胶-纳米复合材料的设计和合成作了一番展望。

文献链接：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. 类核壳纳米结构的三维自组装制备高性能纳米复合永磁体

图2 类核壳Nd₂Fe₁₄B/α-Fe纳米复合磁体的制备和表征

磁性材料的纳米构造在制备超强永磁材料如高密度磁性记录介质领域有着高度的需求。核壳结构通过调控纳米晶的生长过程来精确控制材料的尺寸和形貌等，是制备高性能磁性材料的理想方法。然而，通过纳米材料的化学合成方法实现核壳结构块体永磁材料的制备依然是一个巨大的挑战。

燕山大学的张湘义（通讯作者）和李晓红（通讯作者）等人开发了一种类核壳纳米结构的3D自组装制备策略。为了阐述这一材料制备方法，研究人员选择同时包含软、硬磁相纳米复合磁体作为合成对象。其中硬磁相为硬磁性Nd₂Fe₁₄B内核，而软磁相为软磁性α-Fe外壳。合成及后续的表征测量实验表明，这一双相复合磁体的磁能积能够达到各向同性Nd₂Fe₁₄B/α-Fe的理论极限值。这一研究发现将会推动利用3D类核壳纳米结构制备高性能永磁体技术的发展。

文献链接：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. 磁致伸缩纳米磁体从单畴到涡旋态的声波诱导磁化转换

图3 四种钴纳米磁体的磁力显微图像

基于纳米磁体的逻辑记忆器件虽然有诸多优点，但是在低能量耗散的条件下完成纳米磁体的磁状态转换却依然是非常困难的。虽然已有全局电场的方法可以实现，但是这种方法能量耗散过大导致技术限制颇多。近期的理论工作讨论了利用声波脉冲辅助纳米磁体磁化转换的可能性，为后续的实验工作奠定了基础。

弗吉尼亚联邦大学的J. Atulasimha（通讯作者）课题组的研究人员在近期发表文章实验性地证明了椭圆钴（elliptical cobalt）纳米磁体基于声波（AW）的磁化转换（magnetization switching）。在声波的作用下，这种磁体能够发生从单畴到涡旋态磁化转换。经过这种磁化转换，磁体能够转换到稳定的涡旋态，直到施加外加磁场使得磁化状态重置。研究人员表示，虽然这些研究成果意味着涉及到复杂的转换机制，但是目前的工作依然为磁化转换的低能记忆设计提供了可能的方案。

文献链接：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. 球形受限的胶状胆甾相液晶

图4 Ch-CNC悬浮液的微流体乳化产生液滴

对纳米颗粒在约束几何空间（constrained geometries）里的排列的研究有着非常重要的现实意义。纳米胶体的球形受限（spherical confinement）在胶状液体的堆积、自组装及相分离等现象上都创造了新的模式。但是目前对于胶体液晶（colloidal liquid crystals）的研究依然非常有限，特别是对于胆甾相（Ch）液晶的研究。胶状胆甾相液晶的液滴具有拓扑性质的缺陷，可以被用于软物质的基础研究，也可以作为分子或颗粒的排列模板。

肯特州立大学的O. D. Lavrentovich（通讯作者）以及多伦多大学的E. Kumacheva（通讯作者）等人近期发表文章报道了微米级液滴球形受限的Ch液晶中棒状纤维纳米晶（CNCs）的排列组织。研究人员发现，与胆甾相聚芳酯热致液晶截然不同的是，Ch-CNC液晶的受限导致了相分离，其中液滴核心为各向同性相，而液滴外围是CNC层同心堆积的Ch相。通过这一现象，研究人员证明了利用亲水介质（如CNC悬浮液）中的拓扑缺陷（如液滴内核），也可以实现纳米颗粒的排列组合。

文献链接：Colloidal cholesteric liquid crystal in spherical confinement（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12520）

5、Science 可用于人体散热的纳米多孔聚乙烯织物

图5 nanoPE的形貌和光学性质

能源枯竭与气候变化是21世纪人类需要面对的两大主要议题。由于这两大议题是息息相关的，因此开发可再生能源代替现有能源并以此希望改善气候恶劣程度就成为了亟待解决的问题。事实上，除了开发新能源，提高能源利用效率是当前缓解能源危机最具性价比的方法。从人类自身的角度来讲，改善个人散热和供热的热能管理方式是节约能源的有效手段。

斯坦福大学的崔屹教授（通讯作者）团队开发出一种纳米孔聚乙烯（nanoPE）织物，利用这种多孔高分子织物可以实现体表无能耗散热管理。研究表明，人体是优良的红外辐射源，而孔径在50-1000纳米的nanoPE材料在阻止可见光透过的同时又能允许中红外辐射透过，这样一来就可以实现体表的有效散热。该团队研究人员将nanoPE材料做了一定的处理，使其在保持散热功能的同时还能保留透气率以及可穿戴机械强度等正常纺织物的性能。这项发明虽然还需要在诸如洗涤次数、耐磨度等性能上进行开发和完善，但无疑是一种可以有效改善个人热能管理效能的纺织品材料。

文献链接：Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf5471）

6、ACS Nano 惰性气体离子辐照下模拟石墨烯中缺陷的形成

图6 石墨烯在25kV的He⁺离子辐照下缺陷形成的过程模拟图

石墨烯由排列在六方网络中的共价键结合的碳原子组成，是理想的二维材料。由于它具有卓越的机械、电子、热学和化学性质等而受到广泛研究，通常通过惰性气体离子辐照的方式来研究其性能。但是关于缺陷形成等相关的动态过程的细节尚未得到彻底研究。

最近，美国宾夕法尼亚州立大学的Adri C.T. van Duin（通讯作者）等人通过模拟研究了石墨烯在惰性气体离子辐照下原子尺度细节的变化，并监控了退火过程中由于辐照离子类型和剂量的不同所导致的不同的缺陷的演化。研究发现，退火使缺陷重塑成纳米孔或非晶等更加稳定的结构。该研究有利于科学家更加深入的理解石墨烯中的孔隙，并为设计功能化碳材料奠定了基础。

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

7、ACS Nano 单层石墨烯异质结构的电化学氧化还原研究

图7 前驱体GO分别在在周期性电压和稳定电压（0.8V）下的荧光示踪

石墨烯有GO和rGO等很多类似物。GO是边缘部位具有羧基、基底面上有羟基和环氧基团等含氧官能团的氧化石墨烯片，官能团的量会对GO和rGO的产量有影响，从而影响光电性能。因此，对电化学氧化还原机制的深入理解至关重要。

最近，长春应化所的徐维林（通讯作者）等人通过全内反射荧光显微镜，对单层石墨烯的电化学诱导荧光进行实时监控。研究发现：在周期性电压下，单层石墨烯的荧光效应表现出周期性变化，并可通过电压来调节，此过程中没有激光效应，同时也揭示了单层石墨烯的动力学和氧化还原诱导的时空异质性。该发现有助于对单层石墨烯的带隙进行精确调整，进一步促进其在光电器件中的应用。

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

8、ACS Nano 金属-氨基酸生物配位聚合物（BCP）纳米线的手性识别

图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

分子材料与器件在过去的几十年中受到广泛研究，对器械小型化和高效率的要求能对这些分子材料在纳米级电子结构进行自由、准确地操纵。但由于大多所使用分子的π共轭及其结构的有限性使这成为一大挑战。由金属离子和有机配体制备的配位聚合物（CPs）由于具有无限结构和多种性能而成为候选材料。

最近，国家纳米科学中心的唐智勇（通讯作者）、刘雅玲（通讯作者）和闽南师范大学的李顺兴（通讯作者）等人通过自组装的方法合成了一系列由不同的手性和半胱氨酸Cd（II）离子的纳米BCPs。研究发现：Cd(II)/_DL-半胱氨酸纳米线的电导率是Cd(II)/_L-半胱氨酸或Cd(II)/_D-半胱氨酸的4倍，BCP的纳米结构、形貌、性能等可以通过配体的手性来调节。该研究阐明了手性转录和手性功能材料的组装。

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

9、ACS Nano 窄发光带宽的具有表面氮的硅纳米颗粒的量子产率达90%

图9 Si NPs的PL和在自然光下的图示

硅纳米颗粒（NPs）由于具有无毒、成本低、储量大等优点，成为发光领域和生物成像领域中量子点和商用有机染料等广为接受的替代材料。不过，如何提高Si纳米颗粒的PL性能（如超高量子产率，尖锐的发射峰，高稳定性等）仍是阻碍其发展的主要问题。

最近，美国卡耐基梅隆大学的金荣超教授（通讯作者）等人通过理论和实验分析，结合基于表面覆盖氮的硅纳米颗粒配体结构的光致发光能量定律，全面的研究了粒子尺寸、结构和配体的量对PL的影响。所制备的Si NPs的量子产率高达90%，并具有狭窄的PL带宽（半高宽约为40nm）。这使其可以与商用染料和量子点相媲美。该研究将会极大的促进Si NPs的商用化。

文献链接：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 高导电性的碳纳米管微结构的3D打印

图10 3D打印工艺原理图

印刷技术提供了在不同的柔性基板上快速、廉价地印刷电路的手段。不过，传统的图形打印方法只局限在2D或仅在平坦衬底上，而在不平基板上的3D图案在未来的应用中是必不可少的。

最近，韩国电工研究所（KERI）的Seung Kwon Seol（通讯作者）0等人使用聚乙烯吡咯烷酮包裹碳纳米管油墨使形成流体油墨快速凝固，通过微喷管打印出具有高导电的多壁碳纳米管（MWNT）的3D微结构。经过热处理后，碳纳米管的浓度高达75wt%，并可以形成各种3D微结构。这项技术将有利于促进材料选择的多样性。

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

本文由材料人纳米学习小组shixiong chern和朱晓秀提供，材料牛编辑整理。