二元纳米粒子超晶体材料的组装体结构控制及集成性能研究

Highly ordered supracrystalline material from self-assembly of nanoparticles is an emerging class of novel metamaterials, with promising applications in electronics, optoelectronics, catalysis, energy storage etc. Binary nanoparticle supracrystals composed of two distinct nanoparticles are of particular interest because it enables close contact of nanoparticles with distinct physical properties, yielding synergistic effects with enhanced performance. Currently, it is challenging to control the structure of binary nanoparticle supracrystals efficiently as well as to optimize the collective physical properties. Our previous work unveils that the surface ligands coated on the nanoparticles play a key role in determining the structure of the binary nanoparticle supracrystals. Based on preliminary result, in the current project we propose a thorough study on the critical structural control of binary nanoparticle supracrystals by tuning parameters such as nature of nanoparticles, surface coating ligands and particle size. In addition, for the merits of close contact of nanoparticles within the binary supracrystals, we propose to design and produce new optical as well as catalytic properties. This fundamental work offers a pathway to designing new artificial synergistic materials.

纳米粒子自组装而成的高度有序的超晶体材料是近年兴起的一类新型材料，在电子与光电子器件、催化、能量存储等领域具有重要的应用前景。其中，含有两种不同功能纳米粒子的二元纳米粒子超晶体在理论上可实现纳米粒子功能上的协同互补。目前发展这类新型材料的关键问题在于如何有效控制超晶体的晶体结构以及如何实现性能的优化集成。我们在前期工作中成功实现了通过调节银纳米粒子的表面包覆剂来控制二元纳米聚集体的自组装方式（晶体结构）。在前期工作基础上，本课题预期通过调节纳米粒子的种类、尺寸以及表面包覆剂类型来构筑二元纳米超晶体并实现对其晶体结构的精确调控；并利用二元材料的性能优势互补特性构筑出具有优异物理化学性能（主要为光学及催化性能）的二元超晶体材料。这将为设计其他新型协同材料提供理论依据以及现实样本。

无机纳米粒子由于尺寸小、比表面积大以及量子尺寸效应等表现出独特的光、电、磁等性质。将无机纳米粒子进行组装而形成的周期性的晶体结构可使诸多性能协同和集成，赋予组装体特殊的物理化学性质。目前发展这类新型材料的关键问题在于如何有效控制组装基元之间的作用力形成有序结构以及实现性能的优化集成。因此，二元纳米粒子超晶体材料的组装体结构控制及集成性能研究这一课题非常及时，也非常重要。本项目的研究内容主要包括以下两个方面：通过调整组装基元的种类、结构等因素调控超晶格的组装结构并深入探索其组装规律；利用二元材料的性能优势互补设计出具有优异性能的整合组装超材料。通过三年工作的开展，研究目标完成良好，两个方面的研究内容都有了一定的进展。首先开发了普适性的乳液限域组装方法，实现了多元组装基元整合组装，克服了多元组装中的分立组装现象。其次，在晶体轴向生长方面、超晶格的软外延生长以及手性调控方面有所突破，制备出具有一维结构的二元纳米粒子梭状超晶格胶体材料以及具有螺旋结构的双元纳米粒子超晶格，将对双元纳米粒子超晶格组装的构筑以及对组装规律的探索拓展到了晶体生长范畴以及软外延生长范畴。再次，我们参考传统液相外延生长机制，立足组装基元之间的作用力关系，将新的组装基元引入到了系统中，提出了软外延自组装诱导的整合自组装的理念，设计并构筑了弱相互作用驱动的纳米粒子-共价有机框架（COFs）、纳米粒子-超分子等多级次整合组装结构以及具有多级孔的组装体，这为多元纳米结构组装系统的实现和应用提供了依据。最后，我们对多元整合组装体的光学性能、表面增强拉曼性能以及催化性能进行了研究，这为今后多基元多级次组装体的构筑及性能开发提供了依据。