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  近日，浙江大學劉昭明研究員在無機離子寡聚體的可控聚合領域發(fā)表觀點論文，相關工作以題為Controllable polymerization of inorganic ionic oligomers for precise nanostructural construction in materials在ACS Nano上發(fā)表。論文系統(tǒng)探討了無機離子寡聚體的可控聚合在納米結構設計與合成中的特點、研究進展以及未來面臨的挑戰(zhàn)與機遇，為納米科學的發(fā)展提供新思路和方向。

現(xiàn)有問題：無機納米結構的合成精度與有機、生物合成的差距

  以共價鍵基礎的有機及高分子合成體系已經(jīng)發(fā)展出系統(tǒng)的反應方法，能夠從分子的定向設計出發(fā)，構筑不同熱力學、動力學穩(wěn)態(tài)的分子、納米結構，實現(xiàn)自下而上的納米結構構建。相比之下，無機離子化合物的合成受限于離子鍵的非方向性和飽和性，無機離子傾向于不可控的成核-生長過程，往往越過分子尺度的單元，直接形成相對穩(wěn)定的納米晶體或非晶單元。這種差異導致無機離子化合物納米結構的調控多局限于對顆粒尺寸、形貌及組裝上，可調控要素相對較少，使得無機納米結構的合成精度通常低于有機納米結構合成。然而在自然界中，生物體通過有機分子及復雜的生物調控機制，能夠精確調控礦物前驅體的自由能能壘和生長動力學，展現(xiàn)出超越人工合成的精細且復雜的納米結構。這表明，如果能系統(tǒng)地發(fā)展無機離子和離子簇的鍵合方法，建立無機離子化合物的分子級化學合成與組裝方法學，有望克服傳統(tǒng)結晶路徑的限制，從而能夠像有機和高分子化合物一樣，合成出不同熱力學、動力學穩(wěn)態(tài)的無機離子化合物分子、納米結構。

發(fā)展機遇：從分子尺度無機離子化合物的可控裝配到納米結構的精準構建

  2019年，無機離子寡聚體及其聚合反應的發(fā)現(xiàn)成功實現(xiàn)了分子尺度無機離子化合物的穩(wěn)定與合成，為分子尺度無機離子裝配與納米結構精準合成提供更多機會。近年來，以無機離子寡聚體作為基元，通過控制無機離子寡聚體間的成鍵反應，研究者們開發(fā)了一系列用于納米結構精準調控與材料合成方法。以此為基礎，論文系統(tǒng)分析了無機離子寡聚體的可控聚合在納米結構合成的優(yōu)勢，總結提出了無機離子寡聚體可控聚合精確調控納米結構的三種策略：一是無機離子分子拓撲結構控制，以實現(xiàn)線性或樹枝狀結構的離子分子鏈；二是對無機離子寡聚體進行官能團修飾，通過化學反應將無機離子寡聚體與有機分子結合，形成有機-無機雜化分子，或者將兩種不同的無機離子寡聚體結合形成無機-無機雜合分子，進而實現(xiàn)分子級的結構調控；三是通過引入有機單體和聚合物模板或外場，調控無機離子寡聚體的聚合反應，實現(xiàn)一維納米纖維、多級有序結構的構建。最后，文章探討了無機離子寡聚體聚合所構建的精細納米結構為力學增強、能源轉換、環(huán)境保護、生物醫(yī)學材料相關材料及一些傳統(tǒng)認知外的新材料開發(fā)提供的支持。

圖1. 無機、有機與高分子合成化學中的差異，以及無機離子寡聚體在納米結構合成中的優(yōu)勢

圖2. 無機離子寡聚體的可控聚合在納米結構精準構建方面的研究進展

未來挑戰(zhàn)：無機離子可控聚合的研究方向

  無機離子寡聚體及其可控聚合反應的發(fā)現(xiàn)將無機納米結構的合成拓展到了分子尺度。雖然經(jīng)過了一定程度的發(fā)展，許多精細甚至超出傳統(tǒng)認知的納米結構及材料被合成出來，但該領域仍有許多問題有待探索：首先，目前的研究多集中在一維結構的調控，如何實現(xiàn)二維和三維拓撲結構的可控合成仍是難題之一。其次，拓展無機離子寡聚體的種類，以指導不同組分材料的設計，也是未來的重要發(fā)展方向。此外，如何實現(xiàn)無機離子寡聚體從納米尺度到宏觀尺度的長程定向聚合，對于高性能材料的開發(fā)至關重要�；诖�，作者指出，未來的研究方向應聚焦于拓展無機離子寡聚體的種類和官能團化反應的合成策略，并通過結合理論計算、人工智能、增材制造等技術，進一步理解和控制無機離子寡聚體及其聚合反應，助力功能材料結構的精準合成。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c18704