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過程工程所提出“時空有序”中空材料新概念

2020-02-13 過程工程研究所
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  中空多壳层结构(Hollow Multishelled Structure, 以下简称HoMS)材料既能解决纳米颗粒在应用过程中易于团聚的问题,又能保持大比表面积的优点,在能源转化与存储等研究领域应用广泛。中國科學院過程工程研究所研发出一种简便普适的合成方法“次序模板法”制备HoMS材料,实现纳微结构的精准调控,并在此基础上首次揭示其“时空有序”特性新概念及动态智能行为,有望为药物缓释、化工催化等诸多领域带来突破。相关文章于2月11日在Nature Review Chemistry上發表。

  過程工程所研究員王丹團隊一直致力于HoMS的精准合成,通過“次序模板法”對反應熱力學和動力學的精准控制,實現從構成殼層的納米顆粒到殼層數、殼層間距、殼層厚度、孔隙率等納微結構的精准調控,進而調變HoMS材料的表界面特性,大幅擴展了HoMS的應用範圍。

  在此基礎上,研究人員進一步揭示出HoMS的獨特屬性,即時空有序特性。“HoMS具有多個殼層以及被殼層分隔開的各自獨立又相互連通的閉合空腔,與單殼層中空結構相比,HoMS不僅具有更多的界面與更大的有效比表面積,其由外至內次序排列的多個殼層還構造出一種獨特的時空有序結構,即:客體(反應物、藥物分子、電磁波等)的進入必須先經過外部殼層,才能到達內部殼層;完成特定反應後的産物,必須先穿過內部殼層,才能釋放到外部殼層。該特性對串聯催化、次序吸光、藥物緩釋以及多級儲能等領域的應用拓展及性能提升具有重要意義。”王丹介紹道。

  有趣的是,這種獨特的時空有序特性在自然界也是廣泛存在的。以藍藻這個古老的生命體爲例,其內部含有吸收不同波長光的染料分子,而這些分子由外到內按照特定的次序排列,從而實現對太陽光的高效利用,進而完成了對地球上氧氣的富集。

  “向自然學習,受活細胞的結構和功能的啓發,發揮HoMS時空有序的特性,將在太陽能的高效利用、化工催化、藥物可控釋放及高效能源轉化與存儲等諸多領域帶來重要應用。”王丹說。

  研究人員進一步提出可以通過化學修飾賦予HoMS每個空間各自獨立的特性,並設計調控內外殼層的不同組成,根據應用需求改變表面或自身結構特性,以實現材料對特定環境的特定響應,在特定位點的准確釋放或自我演變,將進一步賦予中空多殼層結構動態智能的屬性。這將在藥物可控釋放及化工催化中帶來重要應用。

  该文章的第一作者为博士王江艳、万家炜及杨乃亮,通讯作者为王丹。该工作得到国家自然科学基金及中科院科研裝備研制项目的支持。

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圖:HoMS結構和組成的多樣性賦予HoMS多功能和多用途

打印 責任編輯:葉瑞優

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