頂刊動態 | Nature子刊/AM/Nano Letters等納米材料學術進展匯總【160618期】
1、Nature Communications：C-MoS2異質結構界面應變影響
二維（2D）材料由于電荷轉移快，可用表面積高，光學和電學性能可控等優勢，在電化學能量存儲和轉化方面應用廣泛。堆疊2D材料產生異質界面，改善了材料的本征物理和化學性能。異質結構如何影響化學過程，探究這個問題受到材料設計路徑的限制。結果2D材料的界面應變在化學和電化學過程中的影響仍待解決。
范德堡大學的Cary L. Pint團隊通過研究C-MoS2界面，證明出垂直于堆疊2D方向的界面局部應變影響嵌入到MoS2晶格中鋰金屬的化學存儲容量。另外，測出MoS2的平均應變約為0.1%，這是由于C和MoS2片層之間晶格失配所導致的，陽離子交換法促進嵌鋰過程的進行。相比而言，在低電壓嵌鋰過程中， MoS2沒有應變產生，對嵌鋰過程沒有促進作用。這個發現指出，異質結構界面的力學性能可以直接對化學熱力學過程產生影響，此外，這種研究在電化學能量存儲和轉換、催化及傳感等應用上有指導作用。
文獻鏈接：Interface strain in vertically stacked two-dimensional heterostructured carbon-MoS2 nanosheets controls electrochemical reactivity（Nature communications，2016，DOI:10.1038/ncomms11796）
2、ACS Nano: 離子和離子強度對單個金納米線吸附的影響
圖2 不同激光強度和局部溫度在不同溶液中的關系
界面粘結力和界面熱阻是界面的兩個重要性質，在熱轉移過程中起著重要作用。界面熱阻取決于固夜界面之間的鍵強，隨著界面潤濕度的增加，熱傳輸性能也適當地提高。目前的理論和實驗證實出：金-水界面之間的熱傳輸依賴于兩者之間的相互作用強度。界面的潤濕性能可以作為粘結能的指標參數，潤濕度和粘結能成正相關性。此中不足的是，當前一系列實驗的開展均從固/水角度來研究熱傳輸，即使改善界面的化學性質也是從配合物修飾界面出發，仍然保持著固/水這種固液界面。
俄亥俄大學的Hugh H. Richardson教授團隊，使用單光源激發金納米線改變局部溫度，并在一系列環境體系（空氣、純水及不同濃度的離子溶液）下測量界面粘結能和熱傳輸性能。對應于不同激光強度，在純水條件，不同離子強度溶液和溫度變化梯度下，測出納米線的截面吸附量。在光激發金納米結構過程中，隨著熱量的產生，溶液中電荷不斷被消耗，金納米線細化。截面的吸附行為滿足?Langmuir模型，納米線截面吸附隨離子強度降低而降低直至達到飽和吸附。溫度動態測試單個金納米線，得出在流動的離子溶液中溫度驟降，這表明單光源技術可以作為探針探測溶液中離子。
文獻鏈接：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: 少量拓撲缺陷對碳納米管的力學性能影響
圖3 展開完美的碳納米管與有拓撲缺陷的碳納米管比較
碳納米管（CNTs）是由一維結構卷曲形成的二維石墨， 其楊氏模量數值大，拉伸強度高。其楊氏模量不依賴于CNT的手性和直徑，而拉伸強度和臨界應變取決于它的手性角。近期，有報道指出CNTs的伸長失效值接近理論值，拉伸強度和臨界應變數值可以說明，CNTs能建造出自然界強度最高的材料。但單個CNT無法在實際中廣泛運用，因為其尺寸小，自組裝技術合成多數目的CNTs不現實等因素。若制成CNT纖維，則可以很好的解決上述問題，并且其力學性能和單個CNT接近，同CNT一樣耐高溫，所以能很好地滿足建造要求。但若單個CNT中存在缺陷對力學的性能影響仍需要研究。
香港理工大學丁峰教授報道出：CNT壁負載旋錯拓撲缺陷后，不同的機械應力對應著不同的拉伸旋錯位移，少量的旋錯拓撲缺陷存在于圓柱形六面體網狀中，會導致管壁突然彎曲或扭結。這部分區域會極大地影響應力分布，降低CNTs的機械強度。該結果表明，無缺陷的碳納米管無法構建超強材料，而合成少量缺陷的CNT能達到碳納米管的理想強度。
文獻鏈接：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: 低溫合成Pt-Co合金
圖4 合成示意圖及EDS成分分析圖
鉑族金屬存量稀少，開采成本高，但其催化性能在極其優異。因此致力于研究低成本的替代催化劑有著重大意義。當前，找尋的替代催化劑有雜原子摻雜碳，金屬氮化物等。為了更高效利用現存的貴金屬催化劑，普適的做法是把貴金屬制成納米顆粒，最大化的提高催化時的有效表面積，使用最少量催化劑以此來節約貴金屬。進一步改善催化成本，可以使用低成本的金屬（Fe、Co 、Ni和 Cu）來結合貴金屬形成合金。這些合金如Pt3Co，不但提高了催化活性還提升了長期穩定性。
韓國科學技術院Sang Ouk Kim和Heeyeon Kim團隊，采用化學氣相沉積法制備出新型Pt-Co合金納米催化劑。該方法要保證Pt-Co合金納米顆粒具有高單分散性，貴金屬含量控制在1at%以內。其合成出的產物最大的意義是在于在低溫下能得到完美單晶結構合金，相比于合成傳統合金此溫度要低得多。
文獻鏈接：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: 各向異性沉積合成硅納米線薄膜
圖5 鍍Si NWs的不銹鋼SEM圖
硅納米材料具有高比表面積，孔隙和形貌可控，生物相容性好，化學和熱穩定性好等優異性能，被廣泛應用于合成功能材料的基底或模板材料。納米線（NW）薄膜通過基于Si襯底組裝成Si NWs至今還未有報道，這是因為合成高質量的Si NWs仍然很困難，必須要有架構。具有長徑比大的Si納米顆粒目前已通過氣-液-固沉積，澆鑄，溶膠-凝膠模板法，靜電紡絲等手段制備出來。這些手段都需要特殊設備，產物量難控制并且顆粒在溶液中分散性差，所以需要發展新的技術來不斷地生產高品質Si NWs。
復旦大學王亞軍教授和他的團隊合成出高靈活性和力學強度大的混合Si NWs，方法是在水/正戊醇乳液的水解原硅酸四乙酯的各向異性沉積，產物的平均直徑約為80nm，調控長度達12μm，這項工作開辟了一步法基于溶液制備單分散疏水Si NWs的先河，代表著自下而上制備方法向三維超疏水材料和微孔膜邁出了重要一步。
文獻鏈接：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生長手性碳納米管
圖6 負電荷化生長超長CNTs e-VCA成像
碳納米管（CNT）被認為是下一代集成電路（IC）行業最有希望的材料，若合成出手性結構必須要在某個方向進行特定生長。至于各種方法來控制CNT的手性指數，最為關鍵的還是需要深入了解化學氣相沉積（CVD）催化生長機理。但是在機理理解方面必須要研究生長過程的電荷轉移，所以系統研究電荷轉移有著非常重大的意義。另外，單個CNT尺寸非常小，電荷容量低，任何接觸測量電荷的方法都是不可行的，所以要設計出測量電荷的設備也很重要。
清華大學Peng Liu和Kaili Jiang等報道：使用Fe催化CVD過程，生長出的CNTs帶有負電荷，帶有的額外電子是由于CNTs在生長過程產生電荷和轉移。表明在表面反應過程發生了電化學反應，然后該課題組設計出實時監測的設備，證實出CNTs的CVD生長可視為一次電池系統。此外，Fe催化劑的費米能級變化對CNTs的手性有著很大的影響。這個發現對CNTs的生長提供了新的展望，使用電化學方法也拓寬了控制CNTs生長的路徑。
文獻鏈接：Observation of Charge Generation and Transfer during CVD Growth of Carbon Nanotubes（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00841）
7、Nano Letters: 單分子探針探測分子反應過程
圖7 單分子探針實時探測二次反應
反應化學和微納加工是兩套不同的技術，已經從彼此在過去幾十年獨立演化，另一方面，化學家開發的合成方法是由分子和大分子反應物參與，在不同領域已被設計出來并廣泛運用。現今，合成化學出現了一種全新的技術，反應是在超小型化、納米制造的反應室中進行。傳統的化學反應，若僅有少量的分子參與反應時，無法確認合成路線在極小尺度上的轉換。但若使用該方法可以精確控制路徑。
哥倫比亞大學的 Ruben L. GonzalezJr、 Kenneth L. Shepard和Colin Nuckolls等人使用精確光刻納米壁技術，對數百個單一碳納米管晶體管實現單點共價化學，提供了強有力的統計學數據和前所未有的空間分辨率內收位點。每個設備作為傳感器探測出連續化學反應，分子間的相互作用，以及分子構型變化過程中納米管單點官能化量化變化。該團隊使用一組連續的生物耦合反應使DNA的單鏈結合到設備表面并記錄其可逆變化（可逆折疊成G-四結構）。碳納米管器件納米孔-密閉反應化學提供了一個普適的方法，在時間周期連續化學反應過程，用以分離和監視單個分子反應行為。
文獻鏈接：Single-Molecule Reaction Chemistry in Patterned Nanowells（Nano Lett.,?2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02149）
8、Nature Communications：制備納米材料的超穩態蛋白質模板
圖8 線狀模板中納米顆粒的可控定位
隨著納米技術的進步，推動了納米材料制造技術的發展。基于蛋白質結構模板制備納米材料具有非常多的優點，結合基因的編碼的功能，具有自組裝的能力、可定義序列結構、并有自我糾錯機制。而目前基于病毒等所構造出的常規蛋白質模板，極大限制了制備出其他形狀的納米材料。
加利福尼亞大學Dominic J. Glover等人構造出了一種穩定性高、容錯率好、大小可控和結構對稱的蛋白質結構模板。該模板為鏈條狀，結合了蛋白質間相互作用的特異性與調整空間轉換角度的優點。通過使用該模板可將納米粒子于特定位置與角度制備出相應形狀的納米線狀材料，同時可以相當寬泛地調節納米線的空間幾何結構，從而制備出功能性多樣、結構迥異的納米線。這種模板采用γ絲狀蛋白（γPFD），并通過建立特定蛋白質支架系統來避免傳統構造模板的局限性，這種絲狀蛋白的鏈長達到3μm，表現出卓越的穩定性。
文獻鏈接：Geometrical assembly of ultrastable protein templates for nanomaterials（Nature Communications, 2016, DOI:10.1038/ncomms11771）
該文獻匯總由材料人編輯部學術組葉嵐山和孔祥彬供稿，材料牛編輯整理。
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