Advanced Materials:有序创造功能–多尺度自组装构筑并赋予Ag-S基多级次结构 “光子水”特性

材料的功能性通常源于其结构的有序性。获得具有高度精确性、高度有序性和高度复杂性的多级结构材料,同时开发其高新功能,一直是材料、化学、仿生等多学科领域的研究重点和热点。针对这一目标材料设计,具有原子级精度结构的超小尺寸材料(比如金属纳米团簇,金属硫族化合物,多金属氧簇和多核金属配合物等)被认为是理想的结构基元,跨越多尺度将其原子级精度结构特点和高新功能性质维持(或创造)被认为是一个有效的策略。然而,胶体组装/生长驱动力具有严格的尺度依赖性,调控多种组装/生长驱动力在跨尺度系统中的协同作用是实现多级结构构筑的关键和难点。此外,如何利用和开发具有原子级精确结构的超小尺寸材料的高新功能和实用性是当下领域内的研究重点和难点。

新加坡国立大学谢建平教授团队与瑞典斯德哥尔摩大学徐弘毅博士合作介绍了一种高效且简单(室温,5分钟内,产率接近100%)的方法制备了高度单分散的Ag-S基微米盘状材料(厚度约为150纳米,尺寸约为5微米)。基于晶体结构,作者揭示了该材料的组装/生长动力学过程:(1)得益于p-MBA配体间苯环的π-π相互作用,形成的配体双层会限域Ag-S网络的各项异性生长,赋予材料的二维取向性;(2) 着眼于结构演化步骤,最小的结构单元,[AgS4]四面体,会通过共边生长方式,沿着一维方向逐渐形成二聚体、四聚体、直到形成一维多聚体。同时,一维多聚体之间会通过Ag原子桥连作用,发生二维取向拓展,形成S-Ag-S三原子层网络结构;(3)为了降低S-Ag-S三原子层的表面能,协同去质子化的p-MBA配体与铵根阳离子之间的静电作用,使得p-MBA配体双层共保护的S-Ag-S三原子层之间沿z轴方向发生层层堆叠,最后形成热力学稳定的、厚度为~150nm的多层Ag-S二维网络结构。由于特殊的生长方式,最终形成的Ag-S基微米盘状材料具有很高的表面电势和胶体稳定性(表面Zeta电势为-60 mV),结合其高度单分散性,静电作用力驱动下的微尺度自组装会随之发生,最终形成柱状的多级组装结构。由于该多级组装结构满足一维光子晶体的结构特点,同时在高度稀释的水溶液中稳定(溶剂水体积分数 >99.5%),所以表现出了“光子水”的特性。

作者表示该工作强调了当涉及到原子级精确的超小粒子时,胶体多尺度组装技术可以作为一种有效手段,通过重建热力学和各种组装/生长驱动力之间的微妙平衡来实现高度的规则性、有序性和各向异性的多级结构;基于“光子水”性能的发现,作者认为该工作凸显了自下而上构建具有高度多级性、高度复杂性和高度精度性对获得高新功能材料的重要性;同时,该工作也为传统的光子晶体和胶体科学领域注入了新的活力。相关结果发表在Advanced Materials上。