中空多殼層結(jié)構(gòu)（Hollow Multishelled Structure, 以下簡稱HoMS）材料既能解決納米顆粒在應(yīng)用過程中易于團(tuán)聚的問題，又能保持大比表面積的優(yōu)點(diǎn)，在能源轉(zhuǎn)化與存儲等研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。中國科學(xué)院過程工程研究所研發(fā)出一種簡便普適的合成方法“次序模板法”制備HoMS材料，實(shí)現(xiàn)納微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上首次揭示其“時空有序”特性新概念及動態(tài)智能行為，有望為藥物緩釋、化工催化等諸多領(lǐng)域帶來突破。相關(guān)文章于2月11日在Nature Review Chemistry上發(fā)表。

過程工程所研究員王丹團(tuán)隊一直致力于HoMS的精準(zhǔn)合成，通過“次序模板法”對反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)從構(gòu)成殼層的納米顆粒到殼層數(shù)、殼層間距、殼層厚度、孔隙率等納微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)而調(diào)變HoMS材料的表界面特性，大幅擴(kuò)展了HoMS的應(yīng)用范圍。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步揭示出HoMS的獨(dú)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(dú)立又相互連通的閉合空腔，與單殼層中空結(jié)構(gòu)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(nèi)次序排列的多個殼層還構(gòu)造出一種獨(dú)特的時空有序結(jié)構(gòu)，即：客體（反應(yīng)物、藥物分子、電磁波等）的進(jìn)入必須先經(jīng)過外部殼層，才能到達(dá)內(nèi)部殼層；完成特定反應(yīng)后的產(chǎn)物，必須先穿過內(nèi)部殼層，才能釋放到外部殼層。該特性對串聯(lián)催化、次序吸光、藥物緩釋以及多級儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展及性能提升具有重要意義。”王丹介紹道。

有趣的是，這種獨(dú)特的時空有序特性在自然界也是廣泛存在的。以藍(lán)藻這個古老的生命體為例，其內(nèi)部含有吸收不同波長光的染料分子，而這些分子由外到內(nèi)按照特定的次序排列，從而實(shí)現(xiàn)對太陽光的高效利用，進(jìn)而完成了對地球上氧氣的富集。

“向自然學(xué)習(xí)，受活細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，發(fā)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(zhuǎn)化與存儲等諸多領(lǐng)域帶來重要應(yīng)用。”王丹說。

研究人員進(jìn)一步提出可以通過化學(xué)修飾賦予HoMS每個空間各自獨(dú)立的特性，并設(shè)計調(diào)控內(nèi)外殼層的不同組成，根據(jù)應(yīng)用需求改變表面或自身結(jié)構(gòu)特性，以實(shí)現(xiàn)材料對特定環(huán)境的特定響應(yīng)，在特定位點(diǎn)的準(zhǔn)確釋放或自我演變，將進(jìn)一步賦予中空多殼層結(jié)構(gòu)動態(tài)智能的屬性。這將在藥物可控釋放及化工催化中帶來重要應(yīng)用。

該文章的第一作者為博士王江艷、萬家煒及楊乃亮，通訊作者為王丹。該工作得到國家自然科學(xué)基金及中科院科研裝備研制項目的支持。

圖：HoMS結(jié)構(gòu)和組成的多樣性賦予HoMS多功能和多用途