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  9月16日，國際頂尖期刊《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了青年千人、鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授龐新廠的最新研究成果，報道了由龐新廠作為第一作者、并由其主要完成的對一維納米晶體直徑、長度、長徑比、組份、形貌以及結(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)控制的合成技術(shù)（鏈接：Xinchang Pang, et al. 1D nanocrystals with precisely controlled dimensions, compositions, and architectures (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aad8279)，同時《科學(xué)》雜志還在線發(fā)表了專門的評論文章（鏈接：Designer nanorod synthesis (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag2105)。論文詳細(xì)介紹了龐新廠以纖維素基的瓶刷狀嵌段共聚物為單分子納米反應(yīng)器，獨創(chuàng)一種對任何類型納米晶都能夠制作的高度普適性單分子模板法。

  據(jù)悉，一維納米晶體（納米棒，納米線，納米管等）因具有獨特的尺寸和形貌效應(yīng)，在光學(xué)、電子學(xué)、光電、磁學(xué)、催化、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自然界中，這種各向異性生長的納米材料不多，因此，如何按照人為的意愿設(shè)計制備具有特定的尺寸、形貌以及表面化學(xué)性質(zhì)的納米棒功能材料顯得重要而又艱難。

  同時，相對于納米顆粒等零維納米晶體，納米棒、納米管、納米線等一維納米晶體材料可以表現(xiàn)出一系列特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)以及催化性質(zhì)，并且這些性質(zhì)與納米晶體材料本身的尺寸、形貌具有密切聯(lián)系。因此，對不同種類的一維納米材料合成的控制，進一步探索納米尺度和形貌對于納米晶體材料性能的依賴關(guān)系至關(guān)重要。

  目前，一維材料的合成常用的方法包括使用多孔的矩陣材料，這些在矩陣材料中的線性孔道可以填充可溶的前驅(qū)體。但是采用此法合成出的一維納米材料直徑又因這些孔徑的存在而受到限制，同時需要進一步移除這些附加的模板矩陣材料，才能得到所需要的納米棒狀納米材料。另外還有表面模板方法（例如DNA等），但因為DNA分子在非水溶劑中有限的溶解能力，嚴(yán)重限制相關(guān)化學(xué)反應(yīng)類型，因此所制備的材料類型和形貌類型非常有限。

上兩圖為納米棒的合成示意圖：

（a）通過纖維素基模板法輔助合成的上轉(zhuǎn)換的NaYF4:Yb/Er納米棒的透射電鏡圖，右下側(cè)為晶格的高分辨像，左下側(cè)的插圖為在甲苯溶液中納米棒的狀態(tài)（左側(cè)）以及曝光在980nm近紅外下的狀態(tài)。右上側(cè)插圖為干燥條件下納米棒的狀態(tài)（左側(cè)）以及曝光在980nm近紅外下的狀態(tài)；（b）以一維Au納米棒為例，上方的圖表示納米棒的長度L與纖維素模板的分子量Mn之間的關(guān)系，下方的圖表示納米棒的直徑大小D與纖維素模板的分子量Mn之間的關(guān)系。

上圖為通過纖維素基模板輔助合成的不同種類的納米棒的透射電鏡圖：

(3B sample)貴金屬Au納米棒的尺寸參數(shù)分別為L=206+/-19 nm,D=21.2+/-1.5 nm；

(1A sample)貴金屬Pt的L=48±5 nm,D=10.2±0.6 nm；

鐵電體BaTiO3的L=101±8 nm,D=10.6±0.8 nm；

(2A sample) 上轉(zhuǎn)換的NaYF4:Yb/Er(green emitting)的L=99±10 nm,D=9.6±0.4；

(2A sample)上轉(zhuǎn)換的NaYF4:Yb/Tm (blue- emitting), L = 103 ± 7 nm, D = 10.4 ± 0.5 nm；

(2A sample)半導(dǎo)體 CdSe, L = 98 ± 9 nm, D = 10.1 ± 0.7 nm;

(2A sample)熱電PbTe, L = 102 ± 10 nm, D = 9.9 ± 0.6 nm；

(3A sample)磁性的Fe3O4, L = 203 ± 16 nm ， D = 10.2 ± 0.8 nm；

(5A sample)磁性的Fe3O4, L = 916 ± 87 nm, D =10.3 ± 0.5 nm。

上三圖為分別采用纖維素基模板法輔助合成得到的Au-Fe3O4 核-殼結(jié)構(gòu)的納米棒和Au納米管的透射電鏡圖照片：

（a）Au納米管的透射電鏡圖(L = 103 ± 7 nm, D = 10.5 ± 0.6 nm)，上部插圖為在甲苯溶液中納米管的照片，下面的插圖為Au納米管的高分辨圖；（b）Au-Fe3O4 核-殼結(jié)構(gòu)納米棒的透射電鏡圖，最下面的分別為納米棒的高分辨圖以及在甲苯溶液中的電子照片，最下面右側(cè)圖說明了材料的磁性性質(zhì)；（c）插圖為Au納米管在甲苯溶液中的電子照片，其它分別為在不同放大倍數(shù)條件下透射電鏡圖(L = 103 ± 12 nm, t = 5.1 ± 0.5 nm, hollow interior D = 5.3 ± 0.4 nm)。

  為此，研究人員創(chuàng)新性地采用一種瓶刷狀的嵌段共聚物作為通用的單分子模板，來實現(xiàn)對一維納米材料的制備與尺寸控制。該模板多腔體刷狀共聚物以密集接枝的線形功能嵌段共聚物作為接枝側(cè)鏈,以纖維素為骨架，由單個的纖維素分子鏈骨架用作“瓶刷狀”模板結(jié)構(gòu)的“脊柱”，以活性自由基聚合技術(shù)來指導(dǎo)形成納米尺度的單分子聚合物反應(yīng)器，把作為模板的瓶刷狀嵌段共聚物分散在二甲基甲酰胺極性溶劑中。分散在溶劑中的無機晶體的前驅(qū)體化合物由于溶劑的極性作用以及與模板相官能團的絡(luò)合作用，優(yōu)先進入模板相聚合物的分子鏈所形成的反應(yīng)艙室中，最終，高濃度的聚集驅(qū)動了無機晶體材料的成核以及一維無機納米晶體的生長。

  本研究中，研究人員開創(chuàng)性的將原本用于有機聚合物設(shè)計與合成的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)擴展到無機功能納米晶體的設(shè)計與控制領(lǐng)域：通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方法控制作為模板相的側(cè)鏈的長度，從而實現(xiàn)對一維納米晶體直徑的控制；通過調(diào)控作為“脊柱”的纖維素基大分子引發(fā)劑的鏈長，從而實現(xiàn)對一維納米晶體長度的控制；通過改變最外層作為配體的聚合物的性質(zhì)，從而改變一維無機納米晶體的表面化學(xué)性質(zhì)。該工作為一維納米晶體的設(shè)計與合成提供了一個通用的，方便的，高效的全新合成方法，為一維納米功能材料的大規(guī)模合成與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究工作為龐新廠2013年發(fā)表于《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）上的有關(guān)零維納米材料通用合成方法的深入與延續(xù)（X. Pang, L. Zhao, W. Han, X. Xin, Z. Lin, Nature Nanotechnology， 2013, 8, 426-431.）。