多級動態自組裝納米結構的設計

《多級動態自組裝納米結構的設計》是依託哈爾濱工業大學，由楊明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多級動態自組裝納米結構的設計
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊明

項目摘要

納米尺度的自組裝結構被認為是生物體系區別於非生物體系、並具有更為優越性能的根本原因。本項目旨在模擬創建自然界中存在的多級動態自組裝形式。不同於使用生物分子，這裡將採用硫化鎘納米粒子作為主要的構造基元，通過非共價鍵的弱相互作用力的協同作用來獲得納米尺度的多級動態結構。為了實現這一目的，我們將設計合成具有不同表面配體的硫化鎘納米粒子，構建基於超粒子、納米殼、核殼複合體等一級組裝體的多級動態自組裝結構。首先通過調控構造基元間的作用力實現不同維數多級自組裝結構的可逆轉換，並利用膠體化學的理論對於平衡狀態下的自組裝過程進行系統的研究；最終通過與化學振盪反應的耦合實現多級動態自組裝的設計，從而證明這種對於生命體至關重要的非平衡狀態也可以在人造的有序納米結構中體現。在本項目中所涉及的具體體系並不作為一個重要的合成製備手段，而是代表了一個新穎的納米尺度組裝的範例。

結題摘要

自組裝作為一種“從下而上”的納米級操控手段，為實現大尺度、多級次及動態可控組裝體提供了一條切實可行的途徑，同時為功能化納米材料的製備提供了有益的思路，具有重要的套用前景。本項目採用半導體納米粒子作為主要的構造基元，通過非共價鍵的弱相互作用力的協同作用來獲得納米尺度的自組裝結構，利用多種計算模擬手段對自組裝機理給予深入的研究，同時對低維組裝體中的能量轉移過程進行了探索。 最具代表性的研究成果為實現了“裸露”（不帶傳統配體）硫化鎘納米粒子的自發成殼，這是首次發現無機納米粒子可以自組裝形成規則的空心結構。硫化鎘納米殼的尺寸具有酸鹼度依賴性，與病毒殼的組裝有類似之處，但是形成的機制卻大為不同。分子動力學模擬指出了粒子表面形態對於納米殼的穩定起到了至關重要的作用。該研究成果在Nature Chemistry上發表，Nature Reviews Materials對於這項工作給予了單獨的報導。 實現了氧化鋅納米粒子在水中的自發成鏈過程，對一維鏈狀結構中的能量傳遞（螢光共振能量傳遞）過程做了深入的研究。利用分子動力學及粗粒化模擬的手段對粒子間相互作用如氫鍵、偶極矩在成鏈過程中的作用進行了探討，指出氫鍵對於鏈狀結構的穩定作用；利用氧化鋅六稜錐結構的各向異性，實現金納米粒子在其底角的選擇性組裝，利用量子化學計算揭示了決定這種結合方式的機制為六稜錐的表面電荷分布，並對光催化性能進行了研究。 利用胺基酸作為配體，實現了硫化鎘納米粒子的多級自組裝：小納米粒子（2-4 納米）首先形成“超粒子”(15-20 納米)，而這些“超粒子”進一步自發形成一維納米結構。基於DLVO理論，對於納米粒子在鏈側面和兩端組裝的勢能進行了對比，提出納米粒子多級自組裝過程中的尺寸誘導協同作用：即納米粒子自身尺寸及鏈尺寸的增長，促進納米粒子成鏈。利用Dmol3計算揭示了由於胺基酸側鏈長度不同而導致其在納米粒子表面吸附能的差別，從而由於不同程度的Oswald熟化分別形成了鏈狀結構或者管狀結構。 本研究從自組裝體系中納米尺度相互作用的角度出發，利用多種理論計算手段對於組裝機制提出了深刻的見解，所獲得的一系列研究成果對於進一步開展相關研究具有非常重要的指導意義。