一维纳米线的物理化学性质不仅取决于自身的形状和尺寸，也取决于组装体的协同作用。多重功能一维纳米线的可控制备与组装正成为纳米科技、化学、材料科学等领域最有活力的前沿研究方向之一。

 　　微尺度国家实验室博士生刘建伟、化学与材料科学学院梁海伟等在导师俞书宏教授的指导下，主要围绕如何实现一维纳米构筑单元的宏量制备与组装、以及构筑基于纳米线组装结构的新型功能纳米器件等开展了一系列富有创新的探索研究，在一维纳米线薄膜制备和组装技术上取得一系列重要进展。一系列相关论文发表在多种国际著名期刊上 (Chem. Rev. 2012, 112, 4770-4799; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 51, 7240-7245; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51,5101-5105;J. Am. Chem. Soc.2010, 132, 8945-8952; NPG Asia Mater.2012, 4, e19; Adv. Mater. 2011, 23, 1467-1471; Adv. Mater. 2010, 22, 4691-4695; Adv. Mater. 2010, 22, 3925–3937; Adv. Mater. 2009, 21, 1850-1854;ACS Nano2012, 6, 4500-4507; ACS Nano 2011,5, 8148–8161; Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3851-3838; Small 2012, 8, 2412-2420; Inorg. Chem.2009, 48, 4927-4933)。

　　8月8日，国际顶级化学综述性期刊美国化学会Chemical Reviews（影响因子40.197)发表了我校博士生刘建伟、梁海伟博士和俞书宏教授撰写的邀请评述论文（Chem. Rev. 2012, 112, 4770-4799），系统地综述了一维纳米线薄膜的宏观制备方法及性能的研究进展和潜在的应用前景（图1）。侧重回顾了有序一维纳米构筑单元的组装策略，例如蒸发诱导法、兰格穆尔技术、复杂界面诱导法、外场诱导法、鼓泡法、微流法、高压电纺丝法等。客观地分析和对比了不同组装方法之间的优劣，还评述了一维纳米材料结构有序化和相关纳米器件功能的关系，指出了今后有关纳米线制备、组装技术及应用等相关研究领域的发展方向和趋势；提出了有序纳米线薄膜是电子、光电器件、微型处理器等高新技术中不可或缺的物质基础，界面组装可为我们提供了一个经济、有效的自组装技术，以及加强对重要功能纳米线的可控宏量制备组装技术及其组装体功能的研究将为我们带来新的应用曙光等观点。该评述论文被选为当期前封面之一，在线发表后立即被列为该刊Most Read Articles之一。  

图1.左图：从无序纳米线到有序纳米线组装结构示意图；右图：一维纳米构筑单元组装方法示意图。   

　　刘建伟同学系微尺度物质科学国家实验室的在读博士生，第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖获得者、安徽省第四届“挑战杯”特等奖获得者。他在导师的指导下，利用朗格缪尔-布吉特法采用双亲性溶剂与非极性溶剂混合液来溶解亲水性纳米线，克服了传统朗格缪尔技术需要前期疏水化处理步骤的缺陷，从而可有效可控地组装高长径比(大于（大于10000）的一维柔性纳米材料，节约了时间和能源，并通过层层组装的转移方式，通过控制层数达到对薄膜厚度的控制，通过控制相邻两层膜的夹角而得到具有有序周期性结构的纳米线薄膜；还可以把组装形成的有序纳米线膜转移到任意衬底上，包括硅片，云母等光滑基片或滤纸等不平整基片上，同时研究了纳米线薄膜的光开关特性(J. Am. Chem. Soc.2010, 132, 8945-8952)。在此工作基础上，刘建伟同学利用一维碲纳米线薄膜的反应活性，简单高效地宏量制备了有序的碲化物纳米线薄膜。基于碲化银纳米线薄膜，构筑了记忆存储纳米器件，相关器件展现了优良的稳定性，在几千次循环过后，没有表现出性能的衰减。基于有序超细超长碲化物和碲纳米线薄膜，还成功构筑了纳米光电器件，特别是碲化亚铜纳米线器件，性能优越，器件响应时间小于一秒。该方法表明，通过简单的控制，可以制备一系列碲-碲化物、碲化物-碲化物异质纳米线薄膜，这些有序的功能纳米线薄膜的性能取决于薄膜的组分和反应的进程等。论文以卷首插画通讯发表在国际著名化学期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7240-7245）上。

　　刘建伟同学还发展了一种新的液液界面组装方法，实现了在液液界面上对零维纳米晶、一维纳米线、二维纳米片等纳米结构单元的组装。由于外在溶剂的引入，纳米构筑单元所存在的环境发生改变的同时，诱导了纳米结构单元在界面上的富集和组装；较系统地研究了构成组装界面必要因素，结果表明多种液液界面均能很好的用于组装纳米构筑单元；所制备的由纳米结构单元构筑的有序薄膜可以转移到各种衬底上，包括平整的玻璃、硅片、云母及非平整衬底如曲面上等(Small 2012, 8, 2412-2420)。他还在微尺度国家实验室公共技术部和导师的支持下，利用普通的透射电子显微镜，在100 kV的工作电压下，利用电子束诱导载膜卷曲成管的同时，协同其上的纳米材料制备了以碳膜为基体的复合纳米管。还系统的研究了不同维度纳米结构单元，包括零维纳米颗粒、一维纳米线、二维石墨烯纳米片等在碳膜上的卷曲过程。同时讨论了自组装过程中受限范围内，一维纳米线弯曲行为的差异（包括单根纳米线、有序纳米线薄膜、无序的纳米线薄膜），为更好地在纳米尺度下实现机械能和弹性势能的转化提供了实验和理论支持。相关论文发表在美国化学会ACS Nano2012, 6, 4500-4507上。

图2.左：有序异质纳米线薄膜结构和记忆性能；右图：有序纳米线薄膜微观结构和电学表征。  

　　梁海伟同学系我校化学系2011届博士毕业生，中国科学院院长特别奖获得者，首届全国-博士研究生学术新人奖获得者，现为德国马普学会高分子所博士后。他在导师指导下，围绕重要功能纳米线的可控宏量制备及应用开展了系统性的探索研究，发展了模板指引合成一维贵金属纳米材料的方法，以本实验室合成的碲纳米线为牺牲模板，利用其高的长径比和高反应活性，成功合成了超高长径比的贵金属铂和钯一维纳米线（管）材料及一系列高质量半导体纳米线论文相继发表在国际著名期刊Adv. Mater. 2009, 21, 1850-1854, Adv. Mater. 2010, 22, 3925–3937, Inorg. Chem.2009, 48, 4927-4933上。他创造性地将合成得到的高质量一维纳米线组装成为一系列的宏观自支持薄膜材料，展示了这些薄膜材料在纳米颗粒选择性分离、电化学催化、污水处理、抗菌等方面的优异性能；以超细碲纳米线为模板，通过水热碳化的方法合成得到了一系列直径可控的碳纳米纤维，而这些均匀的超长的碳纳米纤维可自组装成自支持的薄膜。相比其它薄膜材料，碳纳米纤维薄膜具有孔隙率较大、水的流通量很大、薄膜孔径分布范围很窄、孔径可调等特点。该碳纳米纤微薄膜可应用于水的纯化、基于尺寸的纳米颗粒的纯化和分离、基于尺寸的生物大分子的纯化和分离等，相关工作发表在国际著名期刊Adv. Mater. 2010, 22, 4691-4695上。基于碳纳米纤维的成膜特点，他还通过多步模板法成功制备了自支持的铂纳米线薄膜，这种膜和商用的有负载或无负载的催化剂相比，表现出更高的稳定性和活性，相关工作被以“非常重要论文”的形式发表在德国《先进材料》上(Adv. Mater.2011, 23, 1467-1471)。梁海伟博士还先后制得了多种功能化自支持复合碳纳米纤维薄膜以及多孔石墨碳纳米纤维自支持导电薄膜，并展示了这些自主研制的碳纳米纤维功能薄膜材料在磁驱动、抗生物膜过滤、连续流催化、电化学电容器等领域的应用潜能。相关工作已分别发表在国际著名期刊ACS Nano 2011,5, 8148–8161; Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3851-3838上。

图3.左图：三维高质量碳纳米纤维仿海绵水凝胶的宏量制备获得成功；右图：以细菌纤维素纳米纤维为支架制备的可拉伸弹性导体。 

　　梁海伟博士在上述工作的基础上，所带领的小组经过三年多艰苦的实验首次在12升的反应器中成功实现了碳纳米纤维的宏量制备，制备了体积达10升以上大小的由碳纳米线构筑的水凝胶和气凝胶，该海绵状三维网络材料因其多孔性，高比表面，轻质，良好的机械强度和可加工性，表现出良好的可压缩性和对环境污染物的高效处理能力(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5101-5105)(图3左图)。在宏量制备纳米线三维材料的实验启发下，他还利用可吨级生产的价廉的细菌纤维素纳米纤维网络为支架，经过简单的煅烧后，可成功制备可拉伸的弹性导体（图3图右），论文发表在英国自然出版集团《自然-亚洲材料》上(NPG Asia Mater. 2012, 4, e19)，被该刊以“Flexible electronics: Bacteria chip in”为题加以报道，并被评为TOP Ten论文。

　　上述研究工作受到国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金委重点基金、中国科学院重点部署项目、科技部国际合作项目等支持和资助。