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                          過程工程研究所提出“時空有序”中空材料新概念
                          2020-02-13 |     【關閉窗口】
                              

                            中空多殼層結構(Hollow Multishelled Structure, 以下簡稱HoMS)材料既能解決納米顆粒在應用過程中易于團聚的問題,又能保持大比表面積的優點,在能源轉化與存儲等研究領域應用廣泛。過程工程所研發出一種簡便普適的合成方法“次序模板法”制備HoMS材料,實現納微結構的精準調控,并在此基礎上首次揭示其“時空有序”特性新概念及動態智能行為,有望為藥物緩釋、化工催化等諸多領域帶來突破。相關文章于2月11日在Nature Review Chemistry上發表(DOI:https://doi.org/10.1038/s41570-020-0161-8)。

                            過程工程所王丹研究員團隊一直致力于HoMS的精準合成,通過“次序模板法”對反應熱力學和動力學的精準控制,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準調控,進而調變HoMS材料的表界面特性,大幅擴展了HoMS的應用范圍。

                            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;完成特定反應后的產物,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。”王丹研究員介紹到。

                            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為例,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啟發,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。”王丹研究員說。

                            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,并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,在特定位點的準確釋放或自我演變,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的應用。

                            該文章的第一作者為王江艷博士、萬家煒博士及楊乃亮博士,通訊作者為王丹研究員。該工作得到國家自然科學基金及中國科學院科研裝備研制項目的支持。



                            圖:HoMS結構和組成的多樣性賦予HoMS多功能和多用途  

                            (生物劑型與生物材料研究部)

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