二元协同纳米界面材料

myyounger

江雷
        

      
      　　表面和界面科学发展到现阶段，人们已有共识，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。　
      

      
      　　 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。因此，表面相的设计及控制，必然是研究新型界面材料的关键。

       　　 “二元协同纳米界面材料”这一新概念，不同于传统的单一体相材料，而是材料的宏观表面建造二元协同纳米界面结构。该界面材料的设计思想是，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，在介观尺度能形成交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。研究表明，这样具有不同，甚至完全相反理化性质的纳米相区，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。

       　　“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，如：亲水性与还原性，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，左旋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超亲油性的表面)材料

      　　研究表明，光的照射可引起TiO2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TiO2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。

      　　2 超双疏性界面物性材料

      
      利用由下到上、由原子到分子、由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同何形状互补的(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子稳定存存，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。

      
      　　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

      　　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TiO2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，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。

      　　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。

      摘自科技日报