超细纳米结构自组装规律探索及功能体系构筑

本项目拟围绕尺寸5纳米及以下纳米晶的自组装及功能体系构筑开展研究。纳米材料新奇的物理化学性质通常在尺寸小于5纳米的区域内体现的更为明显，作为结构基元时，由于其丰富的表面、界面性质及超细尺寸，偶极-偶极相互作用、分子间作用力等非化学键作用力在自组装过程中作用更为显著，可呈现出不同于分子自组装及传统晶体生长模式的物理化学新现象。项目将围绕超细纳米结构基元自组装规律展开：通过筛选表面活性剂及溶剂体系，限制纳米晶的尺寸及维度，获得理想的结构基元；对超细纳米晶/纳米团簇在一维、二维、三维体系的自组装进行研究，系统探讨结构基元间相互作用力的尺寸相关性及氢键、偶极-偶极相互作用等非化学键作用在自组装过程中的协同效应，揭示出超细纳米体系独特的自组装规律。项目期望将超细纳米结构基元的优异物理化学性质与自组装体性质集成的优势相结合，在可控自组装新规律探索、功能组装体构效关系研究等方面取得原创性的成果。

项目围绕超细纳米结构自组装规律探索及功能体系构筑开展了研究工作，在如下方面取得了重要进展： (1) 发现了无机亚纳米尺度纳米晶的类大分子特性。无机材料与有机材料各具特点，无机材料具有丰富的光电功能特性，但一般不具有高分子材料的柔韧性、可加工性及生物大分子的丰富构象。我们利用纳米团簇的一维定向组装，将半导体硫化铟、稀土氢氧化物、碳酸钙及氧化钨纳米带厚度限制在1纳米左右，发现其胶体溶液会出现尺寸相关的粘度增大现象，并呈现出异常丰富的构象。该研究表明超细纳米尺度无机材料可表现出兼具无机材料与有机材料特性的优异性能，有可能为无机材料的研究及应用开辟新的途径。以亚纳米尺度材料自组装规律为基础，发展了无机单壁纳米管的通用合成方法（2）发展了良溶剂-不良溶剂组合限制纳米晶尺寸生长的普适性方法。发现晶核尺寸及表面性质对晶体后续生长影响非常显著，随晶核尺寸不同，晶体可以呈现非常明显的一维、二维及三维生长模式。利用凝胶粘度调整晶核之间的作用力，实现了金属合金二维生长，获得了厚度在4-6个原子层、电化学性质优异的Pt-Cu合金纳米片、纳米锥新结构；（3）开展了基于纳米界面的纳米催化性能调控研究。发展了贵金属纳米晶、金属有机框架空心结构的界面共组装方法，金属有机框架结构对气体的良好富集作用使组装体具有优异的加氢催化性质；基于不同化合物之间的晶格匹配度，发展了半导体一维@二维、零维@二维等维度纳米异质结构的组装方法，获得了CdS@ZnIn2S4超螺旋结构、CdS量子点@Bi2Se3超薄片异质结构，这些结构导致了优异的电子传输特性和可调的能带结构，光电化学催化性质得到大幅提升。