Science | 规则且稳定的纳米多孔材料

纳米颗粒的组装是一门充满艺术性的科学，它能够生成规则且稳定的纳米多孔材料。这些多孔材料类型多样，包括 金属、半导体和陶瓷 ，因其特性在光电子学、生物传感、催化以及能量转换和存储领域中得到了广泛应用。

从分子筛到金属有机框架，再到超分子配位框架和 DNA 晶格，它们的孔径范围从不到一纳米到几纳米不等。进一步通过胶体晶体，还可以创造出微米级的孔隙。然而， 几纳米到几十纳米大小的孔隙常常会导致材料的原子晶格结构变得不稳定，甚至在制造过程中发生坍塌 。因此，这类材料的合成一直是科学研究的一大挑战。

Udayabhaskararao 等人提出了一种工程方法，成功制造出主要为二维、部分情况下为三维的具有规则纳米级孔隙（ 5 至 25 纳米 ）的材料，并实现了出色的结构稳定性。 T.Udayabhaskararao et al., Science 358, 514 (2017).

研究团队以无机纳米颗粒为核心，这些颗粒已经被证实可以组装为显示纳米级孔隙的框架。然而，由于颗粒尺寸的不均匀性，过去生成的框架孔径往往大小不一。

Udayabhaskararao 等人采用了一种创新的混合方法，通过结合不同类型的无机纳米颗粒，其中一种颗粒被 “ 牺牲 ” 以形成孔隙。这一策略在此前主要用于制造个别纳米壳，而在研究中成功地用于生成各种原子状超晶格的二元纳米颗粒结构。

实验从两种化学性质截然不同的纳米颗粒 —— 金（ Au ）和磁铁矿（ Fe3O4 ） 开始，这些颗粒在二乙二醇与空气的界面形成单层和多层，通过朗格缪尔 - 布洛杰特提拉（ Langmuir-Blodgett deposition ）技术，成功构建出可覆盖任何固体表面的二元纳米颗粒超晶格。

图 1 NCP （ non – close-packed ） 纳米粒子阵列的制备

(A) 制备方法示意图：通过 TEM （约 10 分钟电子束照射， “e– beam” ）实现加工。 (B) AB 型 BNSL （ binary NP superlattices ） 的 TEM 图像：插图为 HAADF-STEM 模式，标尺（插图）， 5 纳米。 (C) 选择性去除 Fe3O4 后的 Au 纳米粒子 NCP 阵列： TEM 图像展示其结构，插图为 SEM 图显示底层薄膜的柔性，标尺（插图）为 20 纳米。 (D) 选择性去除 Au 后的 Fe3O4 纳米粒子