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青島能源所在軟質纖維狀納米材料研究中取得進展

經過數億年的自然進化,自然界形成了眾多具有優異高強超韌性能的生物複合材料。其中具有二維幾何形貌的納米構築單元(如貝殼中的葉片狀霰石與骨骼中的片狀磷灰石)對這些材料的性能起到了關鍵作用,因此合成具有一定幾何形狀與性質的二維片層結構也逐漸成為研究熱點。而石墨烯片層對電子的二維量子約束效應也使人們的研究興趣轉移到具有各向異性和量子尺寸效應的二維金屬納米晶體。二維金納米晶體,由於其形狀、結構及外界環境對其性能的決定性影響,近年出現了多種新的合成方法,並在光學、力學、電學、催化、傳感器以及生物醫藥方麵展現了廣泛的應用潛力。雖然科研人員已在金納米晶體的形狀與尺寸控製合成方麵做了大量工作,但目前合成的二維金納米晶體,其尺寸僅限納米與微米尺度。

近日,中國科學院青島生物能源與過程研究所的仿生智能材料團隊在研究員李朝旭的帶領下,在軟質纖維狀納米材料方麵有了新的研究進展。該課題組利用一種獨特的蛋白質自組裝結構——澱粉樣納米纖絲合成了邊長接近半毫米的二維單晶金片。相關研究成果已發表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2015, 27, 1945-1950)上。

由於澱粉樣納米纖絲極高的長徑比和優異的力學性能,李朝旭自2009年在蘇黎世聯邦理工學院開始利用澱粉樣納米纖絲構築功能材料(如水凝膠、人工骨骼及石墨烯複合紙)。隨後,他與合作者成功製備了一種基於納米金片/澱粉樣纖絲的複合薄膜材料,可應用於食品包裝、化妝品及裝飾等領域。最近,利用一種簡單的“一步合成”方法,他們合成了具有不同厚度的大尺寸二維金單晶。

這種二維金單晶表麵積超過104平方微米,厚度超過100納米。由於納米材料存在的潛在健康問題,該二維金單晶所具有的超過納米尺度的幾何形貌,對進一步拓展金單晶的應用空間具有重要價值。同化妝品行業、鍾表和珠寶行業一樣,金在食品領域長期作為甜點、飲品等食物的高檔包裝。由於其原子尺度的光滑表麵,該二維金單晶有望作為金箔的替代品,大大降低黃金的實際用量。

這種新穎的肉眼可見的二維材料也可應用於光學及電子納米器件、納米天線、傳感和成像等領域。另外,通過與聚氨酯複合,他們製備了一種獨特的柔性導電薄膜,具有應變應力傳感行為。

此項研究得到了科技部、國家自然科學基金以及青島市科技的項目支持。


圖. A) 利用氯金酸和澱粉樣納米纖絲合成二維金單晶的示意圖;B)二維金單晶的光學顯微鏡照片;C)二維金單晶/聚氨酯複合膜的正麵(左上)、背麵(左下)及光學顯微照片(右);D)複合膜對應力/應變的傳感行為。

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