背景故事:纳米构筑单元的界面组装

阅读研究论文我们往往可以获得大量有意义的科学信息,这些信息不仅可以促进我们对自然的理解与认识,同时还会激励我们设计出性能更加优异的新材料或新方法。在享受阅读论文的同时,我们是否应该了解这些研究成果所经历的过程?因为任何卓越研究成果的获得均需要研究人员日以继夜的付出。为了能使读者深入了解科研论文背后发生的故事,我们将对近期发表在Advanced Materials,Advanced Functional Materials和Small上的论文作者进行专访以期望揭示隐藏在文字背后的科学态度,同时我们也期望读者能更好地理解这些科研成果。以下是中国科学技术大学俞书宏(Shu-Hong Yu)教授介绍他近期论文(A General Strategy for Self-Assembly of Nanosized Building Blocks on Liquid/Liquid Interfaces)的背景故事。

1. 您的这项研究成果的思路来自哪里?阅读已发表论文(书籍),或者是基于以往的研究经验,在或者是与其他研究人员的谈话?

我们的思路来自我们对自然的思考和学习。神奇的大自然经过漫长的进化,已经成为人类重大发明创造的一个源泉。自组装是自然界普遍存在的过程,是一种通过弱键相互作用创造新结构、新体系、产生新功能的重要手段。随着纳米科技的发展,自组装的研究也自然而然拓展到以纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米片等作为构筑基元来构筑材料,即零维纳米、一维、二维纳米构筑单元的组装。这些纳米构筑基元的物理和化学特性和选择性表明它们可以用作自组装体结构(粉粒、薄膜、固体)的构筑基元来制备高度有序的固体材料,这也为材料的优化、协调和性能的提高提供了新方法。可以说,我们的出发点来自于我们对大自然孜孜不倦的守望与探索。

 

2. 这项研究从有想法有结果共计花费多少时间?研究方案在实验开展过程中是否得到调整?在实验进行中,是否出现了一些实验现象出乎您的预料?您的这项材料合成方法是否适用于制备其他材料?

这项研究共花费了一年多的时间。我们选择液液界面作为自组装的平台组装纳米线,但是组装效果不明显。通过阅读文献和实验技巧的积累,我们调整了实验方案,在整个实验过程中加入少量的另一种溶剂,从而改变了界面的张力和极性,使得纳米线从杂乱无章变成有序的纳米线薄膜。在实验的过程中,我们发现这种液液界面的自组装方法,不仅适用于纳米线的组装,还适用于其他纳米构筑单元的构筑,例如二维纳米片和零维纳米颗粒的组装等,本方法是一种普适的纳米结构单元组装方法。

 

3. 在这项研究进程中,您都遇到了哪些困难(技术难题或非技术难题)?您是如何解决这些难题的?

在研究过程中,总体来说比较顺利。为了验证该方法的普适性,我们需要使用不同维度的各种纳米材料,包括零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米片。而高质量的纳米构筑单元的合成仍然是一个问题,我们通过发挥本实验室在纳米材料合成方面的优势,不断提高合成技巧,终于克服了相关难题。

 

4. 对于这种方法,目前尚未解决的科学问题都有什么?您将如何进一步的研究?

对于这种纳米结构单元的组装方法的研究尚有未解决的科学问题。例如,我们还缺少对纳米结构构筑单元组装过程的原位实时跟踪手段。我们计划和将使用同步辐射技术、原位小角X光等技术实时地研究整个自组装过程。

 

5. 您认为纳米构筑单元的界面组装将朝着哪个发展?未来会有何种新技术出现?

我们知道,鸟类的骨骼和开心果等植物的结构都经过了长期的自然进化,才达到了强度和密度的完美平衡,成为轻质高强材料。这些自然界的有序多级组装结构是我们仿生自然的目标,是纳米构筑单元组装的发展方向,我们相信会有更多的自组装技术出现,有助于我们创造出能与自然材料相媲美的各种新材料。