二元協(xié)同納米功能介面材料的設(shè)計(jì)和研制.doc

二元協(xié)同納米功能介面材料的設(shè)計(jì)和研製 化學(xué)研究所 江雷 一、研究背景及意義 近年來(lái)，納米層次上的表面和介面科學(xué)有了蓬勃發(fā)展。儘管一些新的科學(xué)范式有待建立，但是已為跨越物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)和納米科技等重大學(xué)科的新興交叉研究提供了有利時(shí)機(jī)。二元協(xié)同納米介面材料就是從這一新層次起步的有關(guān)高級(jí)功能材料研製的新課題。表面和介面科學(xué)發(fā)展到現(xiàn)階段，人們已有共識(shí)，不同物質(zhì)之間可形成各種各樣的介面，諸如金屬、無(wú)機(jī)、有機(jī)、半導(dǎo)體及生物材料介面上的研究，發(fā)現(xiàn)了許多重大現(xiàn)象。在短短的一二十年中，借助異質(zhì)材料的接觸與融合所產(chǎn)生的表面和介面的奇異功能特性，來(lái)創(chuàng)造新型材料和器件，已成為許多研究領(lǐng)域的指導(dǎo)思想。 從物理的觀點(diǎn)，凝聚態(tài)物質(zhì)的表面相具有不同於體相的對(duì)稱性和自由能；當(dāng)某物質(zhì)由宏觀尺寸減小到介觀尺寸時(shí)，表面相對(duì)材料物性的影響將不容忽視。因此，表面相的設(shè)計(jì)及控制，必然是研究新型介面材料的關(guān)鍵。二元協(xié)同納米介面結(jié)構(gòu)這一新概念，以有效地利用分子以上層次的化學(xué)和利用外場(chǎng)(光場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等等)誘導(dǎo)下的非平衡態(tài)的協(xié)同效應(yīng)為前題，在材料的宏觀表面建造二元協(xié)同納米介面結(jié)構(gòu)。並以尋求有技術(shù)投產(chǎn)前景的新型介面材料為研究的目的。該介面材料的設(shè)計(jì)思想是，人們不一定追求合成全新的體材料，當(dāng)採(cǎi)取某種特殊的表面加工後，在介觀尺度能形成交錯(cuò)混雜的兩種性質(zhì)不同的二維表面相區(qū)；而每個(gè)相區(qū)的面積，以及兩相構(gòu)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(zhì)的納米相區(qū)，在某種條件下具有協(xié)同的相互作用，以致在宏觀表面上呈現(xiàn)出超常規(guī)的介面物性的材料，即為二元協(xié)同納米介面材料。 在二維表面上形成這種特殊納米介面結(jié)構(gòu)的二元協(xié)同的表面相，以及顯示超常的宏觀物性的微觀機(jī)制研究是一個(gè)全新的課題。不同相區(qū)間的相互作用會(huì)影響相的偶合。這種偶合將促進(jìn)兩相間的協(xié)同效果。因此，研究在外場(chǎng)誘導(dǎo)下表面相的相變及化學(xué)反應(yīng)，研究在二維表面不同的表面相區(qū)間長(zhǎng)程協(xié)同關(guān)聯(lián)的兩相間的能量輸運(yùn)和電子轉(zhuǎn)移，以及相關(guān)的介面物理和介面化學(xué)的課題，具有深遠(yuǎn)的理論意義。 另一方面，從宏觀的學(xué)科發(fā)展及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的著眼點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)今世界新的科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略，已經(jīng)不再是將基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和面向市場(chǎng)的商品生產(chǎn)分立起來(lái)的分階段的發(fā)展模式。一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的高科技領(lǐng)導(dǎo)者和組織者，在制定基礎(chǔ)研究戰(zhàn)略時(shí)，已有意識(shí)地使之能儘早覆蓋技術(shù)開(kāi)發(fā)與新產(chǎn)品研製階段，以促進(jìn)工藝技術(shù)的進(jìn)步，加速實(shí)現(xiàn)技術(shù)投產(chǎn)。例如，在歐美，特別是在日本，從半導(dǎo)體材料和電子工業(yè)的迅速發(fā)展中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。同樣，一些發(fā)展中國(guó)家也按照這種基礎(chǔ)研究和技術(shù)投產(chǎn)密切銜接與相互融合的範(fàn)式，在若干高科技領(lǐng)域取得了成功。 二元協(xié)同納米介面材料的研究計(jì)畫，正是按照基礎(chǔ)研究與技術(shù)投產(chǎn)高度重疊的發(fā)展範(fàn)式，以便迅速建立起在國(guó)際市場(chǎng)上處?kù)额I(lǐng)先地位的有重大工業(yè)前景的高級(jí)功能材料。依據(jù)作者最新的研究表明，利用上述基礎(chǔ)研究成果，可以將多種基質(zhì)材料的表面修飾成超常規(guī)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(shí)現(xiàn)增加潤(rùn)滑和減少摩擦阻力的表面修飾。同樣，可以實(shí)現(xiàn)高效光催化、電催化和吸波材料的表面修飾。依據(jù)二元協(xié)同納米介面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理所研製的新產(chǎn)品，不僅有利於建材工業(yè)、汽車與精密機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、資訊傳感與電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)療器械等民用企業(yè)的技術(shù)改造與產(chǎn)品更新?lián)Q代。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)代的軍事裝備的發(fā)展也具有重要價(jià)值。 二、二元協(xié)同納米介面材料的設(shè)計(jì)與創(chuàng)成 對(duì)物質(zhì)世界二元性的認(rèn)識(shí)，我們的祖先早已意識(shí)到用陰陽(yáng)二元性的邏輯思維。現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展也證實(shí)了物質(zhì)世界從最小單元開(kāi)始就是由各種協(xié)同互補(bǔ)的二元性基本粒子所組成。不僅是物質(zhì)的組成而且物質(zhì)的性質(zhì)也無(wú)時(shí)無(wú)處不反映著二元協(xié)同的性質(zhì)。人們正在有意識(shí)地利用這二元協(xié)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(shí)具有親水及疏水端基的分子)；還有有機(jī)非線性光學(xué)材料(同時(shí)具有分離的推拉電子基團(tuán)的功能分子)；在有機(jī)超導(dǎo)體和有機(jī)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(zhuǎn)移鹽生成的複合分子晶體等等，都顯示了二元協(xié)同思想對(duì)研製新型材料的重要指導(dǎo)作用。 在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程的支援下，作者所在的中科院化學(xué)所功能介面材料研究組以上面二元協(xié)同納米功能介面材料的設(shè)計(jì)研究思想為核心，對(duì)以下三類材料的研究取得了重要進(jìn)展： 1超雙親性介面(同時(shí)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(qū)域形成親水性及親油性兩相共存的二元協(xié)同納米介面結(jié)構(gòu)。這樣在宏觀的TiO2表面將表現(xiàn)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(xié)同原理，同樣可以用來(lái)指導(dǎo)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和創(chuàng)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?？梢栽O(shè)想，洗滌衣物可以僅用清水沖洗，不再使用傳統(tǒng)的洗潔劑；同樣也可以應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)校時(shí)間的使用壽命。上述材料，對(duì)人類生活和淨(jìng)化環(huán)境都是十分重要的。 2超雙疏性介面物性(同時(shí)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(zhǎng)納米化學(xué)方法可以在特定的表面上建造納米尺寸幾何形狀互補(bǔ)的(如凸與凹相間)介面結(jié)構(gòu)。由於在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩(wěn)定存在，所以在宏觀表面上相當(dāng)於有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油或水無(wú)法與材料的表面直接接觸，從而使材料的表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。這時(shí)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(nèi)壁採(cǎi)用帶有防靜電功能的材料建造這種表面修飾塗層，則可實(shí)施石油與管壁的無(wú)接觸運(yùn)輸。這對(duì)於輸油管道的安全運(yùn)行有重要價(jià)值。顯然，該超雙疏性在紡織，包裝工業(yè)等領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。圖2超雙疏現(xiàn)象：(a)超疏水同時(shí)；(b)超疏油3.納米尺度光陽(yáng)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(xué)和光電化學(xué)的研究思想，利用納米化學(xué)方法，研製多種具有光化學(xué)活性的納米介面材料。例如，在TiO2表面的納米區(qū)域內(nèi)可以構(gòu)建光陽(yáng)極與光陰極共存的二元協(xié)同介面結(jié)構(gòu)，在紫外光的照射下具有高效的光催化效果。可以用來(lái)分解有毒氣體(如甲醛、苯、氧化氮等)，殺死其表面接觸的細(xì)菌。該材料已在空氣淨(jìng)化和殺菌抑菌方面得到應(yīng)用(圖3)。 三、結(jié)束語(yǔ) 以上只是作者研究小組近期在二元協(xié)同納米介面材料研究方面所取得的三個(gè)典型的結(jié)果。近年來(lái)發(fā)展迅速的二元分子材料和納米科學(xué)，不斷為二元協(xié)同納米介面結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)驗(yàn)提供了新的研究?jī)?nèi)容和研究方向。我們這方面的工作已發(fā)表論文二十餘篇，申請(qǐng)專利三項(xiàng)。 二元協(xié)同納米介面材料概念提出後受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)界及企業(yè)界的廣泛重視。曾被特邀為在香港舉行的國(guó)際納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議做大會(huì)報(bào)告，並被會(huì)議主席評(píng)價(jià)為我們所忽視了的全新領(lǐng)域。中國(guó)商品交易中心已投資2000萬(wàn)元