二元协同纳米界面材料（摘要）

清风明月

二元协同纳米界面材料（摘要）
　                 江雷　中国科学院化学研究所
“第三期工程科技论坛---‘纳米材料与技术’报告会”演讲稿
                           中国工程院提供

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& w/ r% I* ?# o' v* @8 F　　表面和界面科学发展到现阶段，人们己有共识，不同物质之间可形成各种各样的界面，诸如金属、无机、有机、半导体及生物材料界面上的研究，发现了许多重大现象。借助异质材料的接触与融合所产生的表面和界面的奇异功能特性，来创造新型材料和器件，已成为许多研究领域的指导思想。
; c& e' J& Z6 `1 T& M, p　　从物理的观点，凝聚态物质的表面相具有不同于体相的对称性和自由能；当某物质由宏观尺寸减小到介观尺寸时，表面相对材料物性的影响将不容忽视。回此，表面相的设计及控制，必然是研究新型界面材料的关键。
- Q) |9 }4 {, m+ F　 "二元协同纳米界面材料"这一新概念，不同与传统的单一体相材料，是在材料的宏观表面建造二元协同纳米界面结构。该界面材料设计思想是，人们不一定追求合成全新的体材料，当采取某种特殊的表面加工后，在介观尺度能形成大错混杂的两种性质不同的二维表面相区；而每个相区的面积，以及两相构建的"界面"是纳米尺寸的。研究表明，这样具有不同，甚至完全相反理化性质的纳米柏区，在某种条件下具有协同的相互作用，以致在宏观表面上呈现出超常规的界面物性的材料；即为二元协同纳米界面材料。
　　对物质世界二元性的认识我们的祖先早已意识到用阴阳二元性的逻辑思维。现代科学的发展也证实了物质世界从最小单元开始就是由各种协同互补的二元性基本粒子所组成。不仅是物质的组成而且物质的性质也无时无处不反映看二元协同的性质。人们正在有意识的利用这二元协同性研制新材料。在分子和超分子材料方面，如，表面活性剂（同时具有亲水及疏水端基的分子）；有机非线性光学材料（同时具有分离的推拉电于基因的功能分子）；在有机超导体和有机强磁体方面也利用了由电子给体和电于受体组成的电荷转移盐生成的复合分子晶体等等，都显示了二元协同思想对研制新型材料的重要指导作用。
　　 "二元协同纳米界面材料"是力求将二元协同性推广到纳米尺度界面，研讨新型界面物性。物性的二元协同互补性是一个普适的概念，众所周知，可以表现为多种形式。如：亲水性与疏水性（亲油性与疏油性），导电性与绝缘性，氧化性与还原性，表面几何结构的互补性咖凸与凹），稳定结构与亚稳结构，顺磁性与抗磁性，半导体的P型与N型，强诱电体与反强诱电体，左族光性与右旋光性等等。在通常的情况下，体材料的表面相和界面相多表现为一种单一的特性。然而，当利用二元协同界面材料的设计思想，在介观尺度甚至纳米尺度形成二元协同界面后，这样的界面常会表现出超常的界面物性。为实现上述的二元协同性质，需要借助软凝聚态物理和纳米化学的基本原理，完成界面材料的分子设计。
　　 1．超双亲性界面物性（同时具有超亲水性及扭亲油性的表面）材料
　　 研究表明，光的照射可引起Ti02表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构。这样在宏观的Ti02表面将表现出奇妙的超双亲性。利用这种原理制作的新材料，可修饰玻璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等效果。这种双亲二元协同原理，同样，可以用来指导我们进一步设计和创成在其他基材上使用的超双亲性修饰剂。例如，在纤维及衣物上使用修饰剂，将使它们具有超双亲性。可以设想洗涤衣物可以仅用清水冲洗，不再使用传统的洗洁剂；同样也可以应用到人造血管和人造人体器官的表面修饰，以防止血栓的形成，并且改善同活体组织的兼容性，来实现长时间的使用寿命。上述材料，对人类生活和净化环境都是十分重要的。
" l( r8 X- h) ~) Y% r+ m0 ?　　 2．超双疏性界面物性（同时具有超疏水及超疏油性的表面）材料
& v! w6 [# R) q, J. Y) D  }* q! Y　　 利用由下到上、由原子到分子、主分子到聚集体的外延生长纳米化学方法，可以在特定的表面上建造纳米尺寸几何形状互补的（如凸与凹相间）界面结构。由于在纳米尺寸低凹的表面可使吸附气体分于稳定存在，所以在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。如果在输油管的管道内壁采用带有防静电功能的材料建造这种表面修饰涂层，则可实施石油与管壁的无接触运输。这对于输油管道的安全运行有重要价值。显然，该超双疏性，在纺织，包装工业等领域同样具有广泛的应用前景。
7 |& Q. L4 c1 F" A, g; c- u* b　　 3．纳米尺度光阳极、光阴极两相共存的高效光催化界面材料
9 c" d: ?/ {) m& n& K" W　　 借助光化学和光电化学的研究思想，利用纳米化学方法，计划研制多种具有光化学活性的纳米杂化的界面材料。例如，在Ti02表面的纳米区域内可以构建光阳极与光阴极共存的二元协同界面结构，在紫外光的照射下具有高效的光催化效果。可以用来分解有毒气体（如：甲醛，苯，氧化氮等），杀死其表面接触的细菌。该材料将在空气净化和杀菌抑菌方面有重要的应用。
  P' B- [. ^( |: t　　 以上只是列举三个典型的实例，然而物质世界的二元性是无穷无尽的，二元协同纳米界面材料也将是无穷无尽的排列组合，等待我们的将是一个丰富多彩的新型高级功能材料新世界。