一种自上而下的策略构建新型纳米结构材料

介观晶体（Mesocrystal）是一类新型的纳米结构材料，其基本组成单元为晶格取向上有序的纳米粒子。介观晶体独特的结构使其在很多领域具有很好的应用前景，特别是那些既需要较大比表面积又需要较高结晶度的应用。介观晶体材料的合成通常采用一种自下而上的自组装过程，由于自组装过程的复杂性，最终产品的形貌、结构和组成较难控制。项目申请人提出一种自上而下的策略，利用单晶作为前驱体，依据前驱体和产物间晶体结构的相似性，通过拓扑转化的方法来合成介观晶体材料。同时以所得的介观晶体材料为前驱体，透过分解和复合两种途径获得更小尺度的纳米粒子或者更复杂的复合介观晶体。此方法的优点在于将复杂自组装过程转变为相对简单的单晶生长以及拓扑转化过程，从而使得介观晶体的合成更加简单、多样，对其它物质介观晶体的合成具有指导意义。除研发合成方法外，我们还希望将所得介观晶体/纳米颗粒材料应用于能源、环境和生物材料领域。

介观晶体是一类新型的纳米结构材料，其基本结构单元为晶格取向上有序的纳米粒子。它们独特的结构使其在很多领域具有很好的应用前景。目前，介观晶体材料的合成通常采用一种自下而上的自组装过程，由于自组装过程的复杂性，最终产品的形貌、结构和组成较难控制。.. 项目申请时，我们提出利用单晶作为前驱体，依据前驱体和产物间晶体结构的相似性，通过拓扑转化的方法来合成介观晶体材料。这种自上而下的策略能将复杂自组装过程转变为相对简单的单晶生长以及拓扑转化过程，使得我们可以通过对前驱体的控制实现对所得介观晶体的控制。.. 项目实施中，我们从前驱体的合成、前驱体形貌的控制、拓扑反应过程的控制、产物性能测试以及产物的应用开发等多个方面详细研究了多种不同的拓扑转化反应，包括：NH4TiOF3到锐钛矿相TiO2之间的拓扑转化反应；(NH4)2TiOF4到NH4TiOF3之间的拓扑转化反应；CaHPO4.2H2O到Ca10(PO4)6(OH)2之间的拓扑转化反应。.. 研究结果表明：拓扑转化反应可以作为一种普适的、自上而下的方法制备介观晶体材料：对产物组成、结构和形貌的控制可以转化为对前驱体以及拓扑转化过程的各种控制。这一方法相对于传统的自组装方法更具有可控性。所得介观晶体产物也有很多与众不同的特性。例如我们可以通过对前驱体的控制制备出方砖形、立方形和正六棱柱形等不同形貌的TiO2介观晶体材料。这些TiO2材料均有大量暴露在外的{001}面以及较大比表面积，从而导致很好的光催化活性。.. 同时，利用该方法，我们还可以制备出与生物体内羟基磷灰石结构相近的平板状羟基磷灰石介观晶体。介观晶体结构的存在会导致所得羟基磷灰石在高温煅烧过程中出现由于层状晶体生长而引起的台阶状结构。而这一现象在纳米及微米羟基磷灰石中并不常见。同时所得平板状羟基磷灰石材料还可以用于复合材料的制备，增强材料的力学性能，使得可用于生物材料的应用当中。.. 总而言之，介观晶体是一类新型的纳米结构材料，对它的研究还处于初步阶段，拓扑转化法的引入有利于合成出更多结构和形貌特殊的介观晶体材料，推动其向更深更广的阶段发展。