Small Methods:机械纳米建筑学的设计与功能

功能材料的合成与制备无疑是解决社会能源需求、环境和生物医学等问题的重要关键。材料的功能性能不仅取决于材料的内在性质,还受其结构和组织的影响。研究表明,材料中纳米级结构的调节是获得功能材料更好性能的关键因素。随着纳米技术的快速发展,对纳米结构的理解和分析得到了促进,在原子级水平上对小物体的观察和操作揭示了各种纳米级特定现象。与此同时,所获得的知识还与微细加工和纳米加工技术相联系,以提供具有超细结构的物理器件。各种功能材料基本上由有机化学、高分子化学、超分子化学、配位化学等材料科学学科产生。除了这些传统方法之外,还须使用纳米技术知识和基于纳米技术的先进技术来生产具有受控纳米结构的高性能材料。对于材料科学的这种范式转变,后纳米技术概念将纳米技术与其他传统研究领域相结合是必要的,这种需求催生了一个新兴概念–纳米建筑学。纳米建筑学通过融合纳米技术和有机化学、超分子化学、材料科学和生物相关技术等,并根据纳米结构策略,通过适当组合原子/分子操作、化学转化、自组装、场辅助重组、纳米/微加工和生物相关过程等各种单元过程来制备功能材料。

近日,日本国立材料科学研究所Katsuhiko ArigaSmall Methods上发表了综述文章,回顾了具有机械响应特性的材料的纳米建筑学,讨论了超分子组件和原子/分子水平结构的机械控制,并展望了该领域的未来挑战与机遇。

在本文中,作者将机械响应材料系统的纳米建筑学方法作为机械-纳米建筑学进行讨论,举例说明了化学反应的机械控制、分子组织、分子操作和细胞调节的相互作用。在第二章和第三章,作者根据典型的分子和材料行为进行分类,讨论了超分子组件和材料的机械控制,以及原子/分子级结构的力学控制与评估。

在第四章,作者着重分析了界面环境对纳米建筑学的的贡献,回顾了现有研究中基于动态界面(气-水界面)对分子系统进行机械控制的例子,包括对材料过程、分子机器、分子受体等的机械控制。作者指出:微小的机械力可以应用于嵌入空气-水界面的功能分子,并在宏观机械作用下对分子机器的操作、分子受体的结构等进行调整,从而影响纳米结构的生成。

在第五章,作者则主要探讨了具有生物物质作为高级作用的机械响应系统。除了传统机械生物学的研究示例外,研究者开创了液-液界面细胞调控的方法,作者在本章举例说明了具有微妙机械相互作用的活细胞的分化控制。在细胞调控过程中,界面处的纳米结构对从分子机器到活细胞的功能系统的机械控制起着至关重要的作用。

文章信息:

Mechano-Nanoarchitectonics: Design and Function

Katsuhiko Ariga*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101577

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101577