新型介孔晶体结构、形貌及形成机理的研究

Many recent investigations have been and still are being conducted on the mesoporous crystals due to their potential development and applications in materials science. The mesoporous crystals are considered as "cavity crystals"，where the pores or organic templates have long?range topological ordering while the frameworks are amorphous. Crystallographic structures and morphologies are believed to be the key of crystal properties, and control of porous materials at the mesoscopic level is one of the most challenging issues faced by synthetic chemists. We have been working on the structural resolution and the formation mechanism of mesoporous crystals..In this proposal, we will study the structure and formation of novel mesoporous crystals in detail so as to guide the exploration of the formation of novel mesostructures from the nannosized building blocks for specific applications. .According to the research plan: (1) Series of novel mesoporous crystals will be made employing special designed surfactant or biomolecules as template and the co-structure directing agent, which establish the special interaction between the organic template and the inorganic sources. By varying the synthesis condition, the structural and morphological evolution of the mesoporous crystals will be studied in detail, which allows deeper understanding of the formation of mesoporous crystals. (2) Study the process of the crystal formation: the self-assembly of template molecules, interaction between the template and co-structure directing agent, interaction between framework species, structural relationship of various mesostructures with different organic/inorganic interface curvatures, the nucleation and the further crystal growth. (3) The structural and morphological study of the mesoporous crystals, including structural resolution, structural relationship, epitaxial intergrowth and defect, which will be disscussed based on electron microscopy and electron crystallographic methods..This subject will be of interest to researchers in diverse areas of chemistry, particularly those in inorganic, nanotechnology, liquid crystal, crystallography and materials chemistry.

介观晶体材料是一类通过模板法合成，在介观尺度上具有长程有序孔道结构的新型功能材料，在吸附、分离、催化等方面都有广泛应用。新型介观结构和形貌的组装及功能化是本领域重要的研究课题。申请人在介孔晶体的结构解析和形成机理方面进行了深入细致的研究，并发表了多项成果。本课题拟在前期课题基础上，(1)通过调控结构基本单元，用特殊设计的表面活性剂或生物分子为模板，由共结构导向法合成介孔晶体，对各种介观结构、形貌之间的转变和规律进行深入研究；(2)探讨介观尺度上模板分子自组装和介观结构形成机制、模板分子与无机物种的相互作用机制，提出合成新型介孔晶体的思路；(3)通过透射电子显微学和电子晶体学方法对各种介孔晶体的拓扑结构、缺陷、取向共生等进行表征和解析，揭示其结构和功能的关系。本项研究对于无机化学、液晶学、纳米科学、晶体学和材料科学研究具有重要理论价值，并为新型多孔材料的合成和应用打下良好的基础。

介观尺度有序多孔材料特殊的形貌、结构和空间效应赋予了其多方面的独特性能。这类材料具有晶体点阵，但结构基元变成了由模板分子形成的孔道，因此可以认为是由有序孔道所组成的介孔晶体。这些材料的合成控制、结构表征及机理研究是本领域的研究重点。本项目针对这类材料的合成方法、物质及能量转化、晶体结构、形成机理等重要科学问题开展了系统性的研究工作，取得了一系列创新性研究成果：.(1) 发展了介孔晶体的合成方法及结构种类。使用两亲性表面活性剂，通过共结构导向法合成了具有纯六方密堆积结构的介孔晶体并通过电子晶体学研究了其孔道形状、连通性及形成机理；设计合成了多种两亲性嵌段聚合物，基于表面活性剂液晶模板法与嵌段聚合物微相分离法，调控合成条件得到了具有不同结构、形貌的介孔、超大介孔及介孔-大孔复合材料，报道了类似于生物体中极小曲面全带隙光子晶体结构的错位嵌套双金刚石介孔-大孔复合材料，对其合成、结构及光子晶体性能进行了研究。.(2) 发展了生物矿化法合成有序介观结构体系。使用DNA分子为模板，通过共结构导向法构建与无机物种间相互作用，形成了多种DNA-二氧化硅复合介观结构，对其进行了结构解析并研究了其形成机理；设计了一种通过天然云母基板构建手性纳米结构阵列的简便方法，得到了三维介观手性DNA-二氧化硅组装的大范围基板定向排列；此外，通过多肽分子进行生物矿化得到了多种材料并对其形貌、结构和形成机理进行了研究。.(3) 发展了多孔材料的电子晶体学结构解析研究。使用透射电子显微学、超低电压扫描电子显微学，通过电子晶体学方法并与其他手段连用，对各种介孔晶体的形貌、结构、形成机理、共生及缺陷等进行了细致的表征和解析，揭示了其结构和功能的关系。.项目执行期间，共发表标注本项目资助的SCI论文18篇，其中第一作者(包含共同第一作者)及通信联系人文章8篇，撰写英文教科书1章，在国际重要的大型学术会议上做口头报告4次，项目负责人获教育部自然科学奖一等奖(第二完成人)。项目共培养博士生3人，硕士生1人，为人才培养做出了一定的贡献。