
題目:Versatile synthesis of uniform mesoporous superparticles from stable monomicelle units全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41596-024-01073-0#Sec8作為納米級的模擬物,膠體納米粒子可被視為“人造原子”,并且可用于構建許多有規則的納米組裝結構(即多級納米超粒子)。自從該方法被報道,大量基于膠體納米粒子單元自組裝的功能超粒子已經被廣泛研究。其中,軟物質(如聚合物、蛋白質、脂質體、DNA和膠束)在合成多功能分層介孔超粒子方面,可作為構建單元或結構導向劑,是學術界和工業界關注的重點。特別是兩親性表面活性劑或嵌段共聚物膠束,作為超組裝構建單元,由于其可調節的官能團和可切換的化學組分,在構建超結構納米粒子(超細有機/無機納米雜化物、分層超粒子和介孔超結構)方面,潛力巨大。但傳統方法中,聚合物單膠束的組裝基元常常熱力學不穩定,使得組裝過程中容易發生相分離、聚集、相變等系列問題,使得合成的介孔材料常常結構不規則,過程不可控、難以實現納米結構的精確制備,對精準合成化學的發展、高活性多孔粒子的開發、定量化探究構效關系等限制明顯。當前,如何實現多級、多尺度、規整的介孔超顆粒合成一直是課題研究的熱點和難點。尤其,對于如何實現孔道構型、孔個數、孔維度、孔取向等孔結構參數的調控,一直是多孔材料制備和應用領域的極致追求。基上背景,內蒙古大學的趙東元院士、趙再望研究員、復旦大學李偉教授等人發明了一種“超穩定”的聚合物單膠束組裝基元,并以此為組裝單元構筑了多種分級介孔超顆粒。本文詳細介紹了基于超穩定的聚合物單膠束,合成超小有機-無機雜化納米庫、分級有序“地球-衛星型”超粒子和多級介孔超顆粒的詳細制備過程。這一方法能夠精確調控聚合物單膠束基元的數量和并對介孔超粒子的結構:如介孔構型、介孔個數、取向等精準控制。同時證明了這些介孔超粒子優異的機械抗壓特性和優異電化學性能。相關工作以“Versatile synthesis of uniform mesoporous superparticles from stable monomicelle units”為題發表在Nature Protocols。首先,文中詳細介紹了超穩定單膠束合成步驟,以及利用單膠束進行超組裝或者多級組裝的詳細過程(圖1)。圖1. 基于超穩定單束超組裝制備多功能超結構納米粒子的示意圖 同時對以超穩定的單膠束為基元合成超小有機/無機雜化納米顆粒制備方法和路線機制進行了詳細的討論(圖2)。圖2. 以超穩定單膠束為基元制備超小有機/無機雜化納米粒子的示意圖通過對超穩定單膠束的表征結果分析,確定了單膠束的結構為“核-殼-冠”三層結構,并闡述了超小膠束/SiO2納米雜化顆粒的形成機理(圖3)。圖3. 聚合物單膠束及超小膠束/ SiO2雜化納米粒子的表征此外,通過以PS-PVP-PEO或PS-PAA-PEO超穩定單膠束為基元,制備了多種組分可調的超小有機-無機雜化納米粒子,證明了該方法的高度普適性,并建立了超小有機-無機納米雜化納米粒子“圖書館”庫(圖4)。 圖4. 超小有機-無機納米雜化納米粒子“圖書館”的表征通過改變三嵌段共聚物PS-PVP-PEO各嵌段分子量的大小,調控組裝基元的尺寸,實現對“核心-衛星” 型SiO2@單膠束超粒子結構參數的精確控制(圖5)。 圖5. “核心-衛星” 型SiO2@單膠束超粒子結構參數的精確控制最后,通過以不同維度、不同功能的納米粒子為組裝界面,實現單膠束的界面超組裝,構建了多種具有特定結構、特殊功能的分級“核心-衛星”型超結構納米粒子;同時,通過對結構調控,合成了“核心-衛星-衛星”型多級超結構粒子,實現了單膠束的“連續多次”有序超組裝,證明了該單膠束組裝方法的普適性和穩定性(圖6)。 圖6. 單束超組裝方法構建“核心-衛星”和“核心-衛星-衛星”納米超結構的普適性綜上,內蒙古大學趙東元院士、趙再望研究員、復旦大學李偉教授等人通過對“超穩定”聚合物單膠束的合成與生長機制進行了詳細的介紹,同時證明了以此“超穩定”單膠束為基元構建超小有機-無機雜化納米顆粒、分級有序“地球-衛星型”超粒子和多級介孔超顆粒的巨大潛力。本文中,超穩定單膠束組裝方法在合成新型介孔材料方面良好的穩固性和普適性,未來為新型功能納米材料的合成開辟新的道路,對于開發高性能功能納米粒子和定量化探究材料、孔結構、表界面性質與活性之間的構效關系和潛在機制,奠定了堅實基礎,具有廣泛的應用價值。致謝:該論文獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和內蒙古自然科學基金的支持。此外,因發展需要,內蒙古大學趙東元/趙再望團隊誠聘博士后,待遇豐厚(年薪35+,詳見官網),歡迎進入團隊工作,有意者可發送簡歷至趙老師郵箱(dyzhao@fudan.edu.cn),并抄送至趙再望老師(zwzhao@imu.edu.cn)。趙再望,內蒙古大學,能源材料化學研究院,研究員,駿馬計劃B1 崗引進人才,博士生導師。2013-2015年碩士期間在董帆教授課題組(國家杰青)從事光電催化研究;2015-2016年在香港教育大學Prof. Wingkei-Ho課題組任助理研究員;2016-2022年于復旦大學趙東元院士組攻讀博士、博士后;2022年7月加入內蒙古大學能源材料化學研究院。近年來,主要從事介孔分級超顆粒的可控合成及能源應用,主持了國家自然科學面上基金、青年基金、國家重點研發項目子課題、內蒙古自治區“草原英才”、“內蒙古自然科學基金”等項目;發表論文60余篇,以通訊或第一作者在Nat. Protoc. (1), Sci. Adv. (1), J. Am. Chem. Soc. (4), Adv. Mater. (2), Environ. Sci. Technol.等期刊上發表論文30余篇,被引7600余次,單篇最高被引1700余次,1篇論文入選“中國百篇最具影響國際學術論文”,10余篇ESI高被引論文,h-index 35。現任 “Chem. Synth.”、“Chin. S. Chemis.”、“Polyoxometalates”等期刊青年編委。郵箱:zwzhao@imu.edu.cn。
李偉,長江學者特聘教授,復旦大學化學系教授,復旦大學化學系副主任,先進材料實驗室副主任,主要從事多孔材料設計合成與應用研究。于2008年在黑龍江大學獲學士學位,2013年在復旦大學獲博士學位(師從趙東元院士),后在韓國基礎科學院、復旦大學化學系從事博士后研究,2019年起任復旦大學化學系教授,入選英國皇家化學會會士等,國家重點研發計劃首席科學家,連續5年入選科睿唯安全球高被引科學家(2019-2023)。近5年,以通訊作者在Nature Rev. Mater., Nature Sustain., Nature Protoc., Sci. Adv., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等上發表論文100余篇,全部論文被他引26000余次,H因子82。現任國際介觀結構材料學會理事、中國青年科技工作者協會理事、中國化學會能源化學專業委員會委員、Natl. Sci. Rev.編輯工作組成員、Battery Energy副主編等,獲2020年國家自然科學一等獎(第二完成人)等獎勵。 趙東元院士,中國科學院院士、第三世界科學院院士。主要從事介孔材料的可控合成及催化、能源、環境、生物應用研究,發展合成了19種復旦大學命名的介孔材料及系列新組分、結構的有序介孔材料,提出了一系列合成新方法體系,取得了國際公認的開創性成果,發表SCI論文800余篇,包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew, Adv. Mater等頂級期刊,被引12萬余次。獲國家自然科學一等獎、國家自然科學二等獎、何梁何利科學進步獎、中國化學會-化學貢獻獎、中國分子篩成就獎等國內外重要獎項,任國際介觀材料協會主席、ACS Central Science執行編輯、National Science Review副主編等。現任復旦大學化學與材料學院院長,復旦大學黨委常委、統戰部部長,內蒙古大學名譽校長、能源材料化學研究院院長。郵箱:dyzhao@fudan.edu.cn。