基于二氧化硅纳米线的低维复合材料组装及功能化应用

There is tremendous research interest in the assembly of nano-structured materials at interfaces of various substrates as this technique can finely tune material properties such as, morphology, dimension, composition and function, through integrating the physical，chemical and biological properties of different materials. In this proposal, we have proposed a new technique to prepare low-dimensional hybrid nanowires by using the silica nanowires we recently developed as subtracts and/or building blocks. The silica nanowires have tunable physical and chemical properties and can be well dispersed in solution, which endow them ideal precursors for nano-engineering. A library of low-dimensional hybrid nano-biomaterials, nanotubes and hierarchically porous membranes will be assembled by this proposed technique through rational design, controlling assembly and smart surface modification. The prepared materials are expected to find applications ranging from bio-catalysis, bio-sensing, membrane separation to nano-biomedical. We will also explore the relationships among the material preparation methods, structures and performance. The obtained knowledge from this project is envisaged to provide new methods and concepts in the design of next generation of low-dimensional functional materials in the future.

基于界面的纳米组装是纳米工程领域的研究热点，其特点在于可以充分整合不同体系材料的物理、化学以及生物学性质，在形貌、尺度、组分及功能等方面对材料的性质进行精细调控。本项目提出一种新的低维复合纳米线材料制备的新路线，以我们自行发展的二氧化硅纳米线为前驱体，利用其物化性质可调和在溶液中可高度分散的特点，以纳米工程思想为指导，对二氧化硅纳米线进行功能化组装；通过理性的结构设计、可控组装、和合理的表面修饰得到一系列功能丰富的生物相容性低维复合纳米线、纳米管及多通道复合膜材料，以满足诸如仿生催化、生物样品分离、（生物）传感器及纳米生物医学材料等领域对材料结构和功能的需求；探索低维复合纳米材料的制备-结构-性能关系，积累基本组装规律，为低维纳米复合功能材料设计提供新方法和新概念。

基于界面上的纳米组装是纳米工程领域的研究热点之一，其特点在于可以充分整合不同类型材料的理化及生物学性质，在形貌、尺度、组分及功能等方面对材料的性质进行精确调控。本项目发展了一种新型二氧化硅纳米线的合成方法，合成了一系列功能丰富的低维复合纳米线、纳米管及多通道复合膜材料，探索低维复合纳米材料的制备-结构-性能关系，积累基本组装规律，为低维纳米复合材料在仿生催化、(生物)传感器及纳米反应器等领域的功能化应用提供新方法和新概念。我们利用二氧化硅纳米线具有单分散性好、胶体稳定性高、物化性质可调等特点，对其进行功能化组装研究；通过理性的结构设计、可控组装、和合理的表面修饰得到一系列各种形貌、尺度的自支撑多孔纳米线膜及纳米线整体材料。以组装的自支撑或胶带薄膜支撑的二氧化硅纳米线膜为基底，制备出高灵敏度的表面增强拉曼基底；以酶负载的二氧化硅纳米线为组装块，制备出具有较好操作性能的仿生催化薄膜；以二氧化硅纳米线膜为硬模板，合成出具有三维多级孔道半石墨化的碳膜，并以其为基底制得超灵敏的(生物)传感器，对葡萄糖的检测限可达4.8 pM，比常规纳米结构葡萄糖传感器低4个数量级以上。通过对纳米线合成条件的调控，我们合成出具有纳米管(瓶)形状的二氧化硅纳米粒子，利用其独特的孔结构及内外表面不同的亲疏水性，实现不同亲疏水材料的选择性负载，并将纳米瓶应用到纳米反应器及纳米发动机上，自行催化分解环境中低浓度的过氧化氢分解产生氧气，推动纳米粒子运动。本项目已发表SCI论文8篇，书章节1篇，所有论文均发表在影响因子大于7的杂志，其中在影响因子大于12的杂志上有4篇；授权中国专利一项；培养博士后1名，博士毕业生1名，在读博士研究生5名。