二元协同纳米功能介面材料的设计和研制.doc

二元協同納米功能介面材料的設計和研製 化學研究所 江雷 一、研究背景及意義 近年來，納米層次上的表面和介面科學有了蓬勃發展。儘管一些新的科學范式有待建立，但是已為跨越物理、化學、生物、材料科學和納米科技等重大學科的新興交叉研究提供了有利時機。二元協同納米介面材料就是從這一新層次起步的有關高級功能材料研製的新課題。表面和介面科學發展到現階段，人們已有共識，不同物質之間可形成各種各樣的介面，諸如金屬、無機、有機、半導體及生物材料介面上的研究，發現了許多重大現象。在短短的一二十年中，借助異質材料的接觸與融合所產生的表面和介面的奇異功能特性，來創造新型材料和器件，已成為許多研究領域的指導思想。 從物理的觀點，凝聚態物質的表面相具有不同於體相的對稱性和自由能；當某物質由宏觀尺寸減小到介觀尺寸時，表面相對材料物性的影響將不容忽視。因此，表面相的設計及控制，必然是研究新型介面材料的關鍵。二元協同納米介面結構這一新概念，以有效地利用分子以上層次的化學和利用外場(光場、電場、磁場、熱場等等)誘導下的非平衡態的協同效應為前題，在材料的宏觀表面建造二元協同納米介面結構。並以尋求有技術投產前景的新型介面材料為研究的目的。該介面材料的設計思想是，人們不一定追求合成全新的體材料，當採取某種特殊的表面加工後，在介觀尺度能形成交錯混雜的兩種性質不同的二維表面相區；而每個相區的面積，以及兩相構建的介面是納米尺寸的。研究表明，這樣具有不同，甚至完全相反理化性質的納米相區，在某種條件下具有協同的相互作用，以致在宏觀表面上呈現出超常規的介面物性的材料，即為二元協同納米介面材料。 在二維表面上形成這種特殊納米介面結構的二元協同的表面相，以及顯示超常的宏觀物性的微觀機制研究是一個全新的課題。不同相區間的相互作用會影響相的偶合。這種偶合將促進兩相間的協同效果。因此，研究在外場誘導下表面相的相變及化學反應，研究在二維表面不同的表面相區間長程協同關聯的兩相間的能量輸運和電子轉移，以及相關的介面物理和介面化學的課題，具有深遠的理論意義。 另一方面，從宏觀的學科發展及高技術產業化的著眼點出發，當今世界新的科學技術戰略，已經不再是將基礎研究、技術開發和面向市場的商品生產分立起來的分階段的發展模式。一些有遠見的高科技領導者和組織者，在制定基礎研究戰略時，已有意識地使之能儘早覆蓋技術開發與新產品研製階段，以促進工藝技術的進步，加速實現技術投產。例如，在歐美，特別是在日本，從半導體材料和電子工業的迅速發展中積累了豐富的經驗。同樣，一些發展中國家也按照這種基礎研究和技術投產密切銜接與相互融合的範式，在若干高科技領域取得了成功。 二元協同納米介面材料的研究計畫，正是按照基礎研究與技術投產高度重疊的發展範式，以便迅速建立起在國際市場上處於領先地位的有重大工業前景的高級功能材料。依據作者最新的研究表明，利用上述基礎研究成果，可以將多種基質材料的表面修飾成超常規功能的表面。例如，在玻璃和建築材料的表面修飾，將具有自清潔和防霧、防冰霜等效果。在金屬材料可以實現增加潤滑和減少摩擦阻力的表面修飾。同樣，可以實現高效光催化、電催化和吸波材料的表面修飾。依據二元協同納米介面結構的設計原理所研製的新產品，不僅有利於建材工業、汽車與精密機械工業、紡織工業、資訊傳感與電子工業、生物醫學工程與醫療器械等民用企業的技術改造與產品更新換代。同時，對現代的軍事裝備的發展也具有重要價值。 二、二元協同納米介面材料的設計與創成 對物質世界二元性的認識，我們的祖先早已意識到用陰陽二元性的邏輯思維。現代科學的發展也證實了物質世界從最小單元開始就是由各種協同互補的二元性基本粒子所組成。不僅是物質的組成而且物質的性質也無時無處不反映著二元協同的性質。人們正在有意識地利用這二元協同性研製新材料。在分子和超分子材料方面有(例如)表面活性劑(同時具有親水及疏水端基的分子)；還有有機非線性光學材料(同時具有分離的推拉電子基團的功能分子)；在有機超導體和有機鐵磁體方面也利用了由電子給體和電子受體組成的電荷轉移鹽生成的複合分子晶體等等，都顯示了二元協同思想對研製新型材料的重要指導作用。 在中國科學院知識創新工程的支援下，作者所在的中科院化學所功能介面材料研究組以上面二元協同納米功能介面材料的設計研究思想為核心，對以下三類材料的研究取得了重要進展： 1超雙親性介面(同時具有超親水性及超親油性的表面)材料 研究表明，光的照射可引起TiO2表面在納米區域形成親水性及親油性兩相共存的二元協同納米介面結構。這樣在宏觀的TiO2表面將表現出奇妙的超雙親性。作者所在的研究組利用這種原理製作材料修飾玻璃及建築材料表面，使之具有自清潔及防霧等效果(圖1)。圖1 防霧、自清潔玻璃這種雙親二元協同原理，同樣可以用來指導進一步設計和創成在其他基材上使用的超雙親性修飾劑。例如，在纖維及衣物上使用修飾劑，將使它們具有超雙親性。可以設想，洗滌衣物可以僅用清水沖洗，不再使用傳統的洗潔劑；同樣也可以應用到人造血管和人造人體器官的表面修飾，以防止血栓的形成，並且改善同活體組織的相容性，來實現校時間的使用壽命。上述材料，對人類生活和淨化環境都是十分重要的。 2超雙疏性介面物性(同時具有超疏水及超疏油性的表面)材料 利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集體的外延生長納米化學方法可以在特定的表面上建造納米尺寸幾何形狀互補的(如凸與凹相間)介面結構。由於在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩定存在，所以在宏觀表面上相當於有一層穩定的氣體薄膜，使油或水無法與材料的表面直接接觸，從而使材料的表面呈現超常的雙疏性。這時水滴或油滴與介面的接觸角趨於最大值。如果在輸油管的管道內壁採用帶有防靜電功能的材料建造這種表面修飾塗層，則可實施石油與管壁的無接觸運輸。這對於輸油管道的安全運行有重要價值。顯然，該超雙疏性在紡織，包裝工業等領域同樣具有廣泛的應用前景。圖2超雙疏現象：(a)超疏水同時；(b)超疏油3.納米尺度光陽極、光陰極兩相共存的高效光催化介面材料作者借助光化學和光電化學的研究思想，利用納米化學方法，研製多種具有光化學活性的納米介面材料。例如，在TiO2表面的納米區域內可以構建光陽極與光陰極共存的二元協同介面結構，在紫外光的照射下具有高效的光催化效果。可以用來分解有毒氣體(如甲醛、苯、氧化氮等)，殺死其表面接觸的細菌。該材料已在空氣淨化和殺菌抑菌方面得到應用(圖3)。 三、結束語 以上只是作者研究小組近期在二元協同納米介面材料研究方面所取得的三個典型的結果。近年來發展迅速的二元分子材料和納米科學，不斷為二元協同納米介面結構的理論與實驗提供了新的研究內容和研究方向。我們這方面的工作已發表論文二十餘篇，申請專利三項。 二元協同納米介面材料概念提出後受到國內外科學界及企業界的廣泛重視。曾被特邀為在香港舉行的國際納米結構材料會議做大會報告，並被會議主席評價為我們所忽視了的全新領域。中國商品交易中心已投資2000萬元