信息中心
发布时间:2020-11-09  阅读次数:375

赵东元&李晓民团队JACS:一维介孔材料的表面限域缠绕组装

赵东元李晓民团队 研之成理 今天
▲第一作者:赵天聪
通讯作者:李晓民&赵东元
通讯单位:复旦大学化学系、先进材料实验室
论文DOI:10.1021/jacs.0c08277
 
 
全文速览
 
 
赵东元院士和李晓民研究员团队开发出一种“表面限域缠绕组装”策略用于精确控制一维介孔氧化硅(mSiO2)棒的弯曲和折叠。直径为50 nm、长度可变的mSiO2纳米棒可以弯曲成半径和弧度可变的弧形,也可以折叠成60、90、120和180°凸角结构。此外,与传统的核/壳结构中“核”纳米颗粒完全被“壳”所覆盖相比,这种缠绕结构使得被缠绕的功能性纳米颗粒的表面保持了裸露状态,在光声成像和光热治疗等方面展现了更加优异的性能。
 
 
背景介绍
 
 
一维生物大分子的缠绕在生物大分子的构建中占有重要地位,比如DNA双螺旋和蛋白质的三维结构。同样,一维纳米材料的可控弯曲、折叠也是构建复杂结构乃至于器件的重要前提。尽管此前已经有一些关于一维纳米材料螺旋、折叠的报道,但这些工作中,控制一维纳米材料进行弯曲折叠的驱动力都是较为宏观的作用力,如应力等,很难精确地控制一维纳米材料的折叠与弯曲。因此,如何可控、精确地对一维材料进行弯曲、折叠一直是一大难点
 
研究出发点
 
 
这个工作其实是我们前期工作的进一深入。在此前的工作中(Adv. Mater. 2017, 1701652; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10009;Chem, 2020, 6, 1097),我们可以让一维介孔硅棒的一端生长在无机功能性纳米颗粒上,形成的头-尾结构, 一维介孔孔道的走向都是垂直于基底的,难以实现对介孔孔道走向进行调控。本工作中,我们进一步调节了mSiO2纳米棒和无机功能性纳米颗粒之间的作用力,使介孔孔道的走向由原来的垂直于基底变成了平行于基底,介孔硅棒完全紧贴无机纳米颗粒的表面进行缠绕生长,进而纳米棒的弯曲/折叠结构可以完美继承纳米颗粒的表面拓扑结构。在预先制备的不同形貌三维纳米粒子(球形、立方体、六边形圆盘、纺锤形、棒状等)的表面进行缠绕,直径为50 nm、长度可变的mSiO2纳米棒可以弯曲成半径和弧度可变的弧形,也可以折叠成60、90、120和180°的凸角。同时棒的长度与折叠次数也可以精确控制,使得该一维纳米棒在立方体表面实现可控的一次、两次、三次折叠。
 
 
图文解析
 
 
 
 
▲图1:介孔氧化硅纳米棒在CdS纳米球表面的缠绕组装。
 
以CdS纳米球为例,我们展示了mSiO2纳米棒如何在球形颗粒表面进行缠绕组装,形成具有可控弯曲的结构。大面积透射和扫描展示了结构的均匀性,对单个颗粒的高倍透射显示该介孔氧化硅的孔道是一维孔道,其方向平行于CdS颗粒的表面。选择性刻蚀CdS纳米球后,可以得到完好的弧形弯曲介孔硅棒。
 
▲图2:在各种不同形貌三维无机功能性纳米颗粒表面进行组装。
 
 
该方法具有非常好的普适性,介孔棒可以在各种不同形貌三维纳米粒子(球形、立方体、六边形圆盘、纺锤形、棒状等)的表面进行缠绕,纳米棒可以弯曲成半径和弧度可变的弧形,也可以折叠成60、90、120和180°的凸角。
 
▲图3:对介孔硅棒弯曲幅度和折叠次数的精确调控。
 
 
除了在不同形貌的颗粒上进行缠绕,在球形和立方体纳米颗粒表面的缠绕生长还可以进一步通过调节介孔硅棒的长度进行精确控制。介孔硅棒可以被控制缠绕纳米球1/4、1/2或者整个周长,同时也可以在纳米立方体表面缠绕覆盖2、3乃至4个面,形成具有1次、2次和三次弯折的一维纳米棒。
 
▲图3:裸露表面带来的相比于传统核壳结构更高效的光热转换及光声成像强度。
 
 
此外,与传统的核/壳结构中“核”纳米颗粒完全被“壳”所覆盖相比,这种缠绕结构能够在保持尺寸基本一致的情况,被缠绕的功能性纳米颗粒的表面同时保持裸露,具有较大的可及表面积,可以与周围环境进行有效的物质和能量交换。作为概念验证,制备了具有缠绕结构的CuS&mSiO2纳米复合材料。实验结果表明,在成功赋予CuS纳米颗粒介孔硅的药物负载能力的基础上,由于缠绕结构使得CuS得以保持裸露,光热转换效率的大大提高(提高了∼30%),光声成像、光热治疗等方面比传统的核壳结构有了显著提升。
 
总结与展望
 
 
总体而言,该研究工作为具有可控弯曲和折叠结构的一维纳米材料设计合成,以及高性能复杂纳米复合材料的构筑铺平了道路。
 
通讯作者介绍
 
 
李晓民:复旦大学化学系研究员,2014年12月博士毕业于复旦大学,师从赵东元院士。主要从事多孔纳米复合材料设计合成及其纳米-生物交互作用研究,尤其是在非对称结构纳米复合材料可控制备及生物应用方面。已发表 SCI论文80余篇,其中以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc. (5)、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Nat. Commun.ChemAdv. Mater.Nano Lett.等期刊上发表论文近40篇,论文总被引5000余次,h-index 40。曾获中美纳米医药与纳米技术学会Rising Star Award,英国皇家化学会材料化学杂志Emerging Investigators,入选教育部青年长江学者、上海市青年拔尖人才、上海市青年科技启明星等。目前担任Frontiers in Chemistry杂志副主编。
 
 
赵东元:中国科学院院士、第三世界科学院院士、复旦大学教授、校学术委员会主任、先进材料实验室主任。主要从事介孔材料的可控合成、功能调控及其在催化、能源存储与转化、环境、生物等方面的应用研究,在国际重要刊物上发表SCI论文700余篇,论文被引用近11万次 (h-index = 160)。曾获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、何梁何利科学进步奖、中国化学会-化学贡献奖、中国分子筛成就奖、国际介观结构材料协会成就奖、发展中国家科学院科学奖等。任国际介观材料协会主席、美国化学会ACS Central Science执行编辑、National Science Review副主编等。

地址:上海市淞沪路2205号 邮编:200438

电话:86-21-51630202 Email: shnl@fudan.edu.cn

Copyright © 2016 上海复旦大学先进材料实验室 All Rights Reserved

Powered by : WeiCheng