973项目申报书——2009CB930400-纳米结构材料的程序化

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1、项目名称：纳米结构材料的程序化组装首席科学家：宋卫国中国科学院化学研究所起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国科学院8一、研究内容（1）赋予纳米结构空间各向异性。各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是程序化组装的基础。为此我们将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸，形貌和表面化学功能调控，选区修饰，不对称粒子等手段引入空间各项异性的方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的技术。（2）纳米结构单元组装的空间调控：利用作用于纳米结构单元的空间各向异性

2、，研究如何可控地将不同的纳米结构单元组装为初级结构；调控组装体中的组分序列和空间构型；设计和构建异质界面，在纳米结构单元之间引入对外界环境刺激敏感的生物或合成大分子；控制纳米结构组装体作为一个整体的性能。（3）纳米结构单元的动态组装与过程调控：通过精细地调控在纳米结构单元之间的排斥力和吸引力的平衡，在纳米结构单元间始终保持一个可控且较强的排斥力，实现纳米结构单元的组装的动态化。此外，利用各种界面作模板诱导纳米结构的组装，界面的动态特征也将用于强化实现纳米结构的动态组装。利用外加场（光，电，磁），对纳米微粒的组装在过程乃至时间上实施调

3、控。将通过空间受控组装制得的初级纳米结构，程序化组装为多维度多层次的纳米结构组装体。在特定区域引入特定组装功能，将其可控集成在器件单元上；将不同纳米结构组装体集成在一起，搭建多级多层次，功能可调，宏观可用的功能材料。（4）研究组装过程与组装体的能量传递和物质传输：发展实时监控纳米组装单元和各级组装体的原理和方法。通过对纳米结构的组装过程的动力学和热力学的研究，从纳米结构单元层面上认识组装过程中物质能量转化与界面行为，获得其中物质能量转化与界面行为的基本规律。通过组装体的结构，调控在组装体中物质传输和能量传递，以适应不同应用过程的需要

4、。借鉴超分子合成和组装以及生物大分子程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，发展纳米层次的组装物理化学。通过对组装过程规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的功能材料，发展全新的材料性能；（5）纳米结构材料的规模化制造与应用：程序化组装，特别是动态组装可以显著地降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于规模化地制备纳米结构材料，因此我们将探索一些纳米结构材料程序化组装方法的规模化。同时，以应用需要为导向来设计材料，在光学材料，离子通道，分子扩散，催化等不同应用领域，设计相应的组装路线。通过设计材料—〉程序化

5、自组装得到材料—〉应用实践检验材料—〉修改完善设这样一个螺旋上升的过程，为一些应用过程发展高性能的材料。上述研究内容覆盖了纳米结构程序化组装过程中四个层次：纳米结构单元的设计，初级纳米结构的空间受控组装和多级纳米结构的动态可控组装，组装过程和组装体中物质传输和能量传递规律，以及纳米结构的集成和应用，可望为纳米结构材料的设计和应用奠定坚实基础。8二、预期目标总体目标：通过本项目支持，我们争取在纳米结构程序化组装方面做出若干在国际上具有原创性的研究成果。在知识创新方面：我们希望在纳米结构的组成，形貌和表面控制，纳米结构间相互作用的调控，

6、纳米结构的动态组装，组装结构能量和物质的传输等方面提出一些概念，原理和理论。5年内争取发表300篇SCI收录的论文，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，获国家奖1-2项。在方法创新方面：建立空间和顺序过程乃至时间进行调控的纳米结构材料程序化构筑方法。发展纳米组装过程实时监控的新方法。在技术创新方面：发展单分散各向异性纳米结构单元的制备技术，纳米结构自组装的时间和空间调控技术；异质结构的调控技术；程序化组装技术与传统微纳加工技术的结合。在材料创新方面：创造以纳米结构为单元的新型功能材料。在优秀人才培养方面：培养一批高层

7、次的研究人才，包括若干国家杰出青年科学基金获得者，形成几个在国内外有重要影响的纳米微粒程序化组装的基地。预期目标：在单分散各向异性纳米结构单元的设计思想与制备方法方面取得突破，获得多种具有特定理化性质的组装单元；对单分散纳米结构单元的形成机理、适用理论进行深入探讨并对其进行完善；从微观层面上系统研究单分散各向异性纳米颗粒结构与性能的关系，为纳米结构的程序化组装奠定基础。建立纳米结构程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，获取纳米粒子空间定向和分级组装的规律，研究组装体的动态调控过程，从而初步建立以纳米粒子为组装单元的组装化学，设计

8、构筑具有新颖性能的纳米结构组装体储能电极材料；开发出具有高速电子、锂离子通道的高能量密度、高功率密度纳米结构材料作为锂离子电池的正、负极材料。通过程序化组装，以金属，半导体，以及复合物为结构单元，制备多种纳米条码。开发出快速准确的纳米