【期刊】清华大学王训教授团队：亚纳米-材料科学中的关键特征尺寸

近日，清华大学王训教授团队的AMR述评文章“Sub-1 nm: A Critical Feature Size in Materials Science”在线发表。文章概述了在亚纳米材料的结构、类高分子性质、组装和加工方法以及催化性能等方面的研究进展，并展望未来的研究方向和面临的挑战。

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文章内容简介

尺寸是材料科学中最重要的问题之一。常规纳米材料的尺寸通常为1-100nm，根据尺寸效应，纳米材料通常表现出与块状材料不同的光学、电学、磁学、热学和催化等性能。作为从原子尺度到纳米尺度的重要过渡区域，亚纳米尺度是材料科学中的一个关键特征尺寸。随着纳米材料的尺寸减小到纳米以下，它们进一步显示出一些独特的性质。首先，亚纳米材料显示出超高的比表面积和接近100%的表面原子比例，大大增强了它们与外场的相互作用。其次，亚纳米材料的分子间相互作用可以主导其自组装过程，类似于一些生物大分子的自组装过程。第三，由于维度的相似性，一维亚纳米材料表现出类高分子的性质，使其易于加工。因此，亚纳米材料不仅表现出优异的光学、催化和粘结性能等，还可以被加工成纤维、薄膜、凝胶等。为了构建功能性亚纳米材料，本课题组发展了良-不良溶剂体系和团簇共组装策略，这些方法简单且适用范围较广。迄今为止，通过这两种方法成功地制备了具有不同组成、形貌和结构的各种亚纳米材料，并实现了一些亚纳米材料的低温大规模制备，为亚纳米材料的实际应用奠定了坚实的基础。基于团簇共组装策略，可将多个有效组分结合成类似于嵌段高分子的结构，而由于协同效应，这种材料的性能十分优异。通过将多酸团簇组装成类富勒烯结构，可以实现电子离域，从而大大提高催化性能。

在这篇述评文章中，我们总结了本课题组在亚纳米材料方面的一些工作，包括各种亚纳米材料的结构、一维亚纳米材料的类高分子性质、亚纳米材料的组装、加工和催化性能等等。在亚纳米材料的结构部分，主要介绍了亚纳米线的本征手性、A-B-A-B类嵌段高分子结构、碱土金属阳离子桥接多酸阴离子团簇亚纳米线等结构。然后简要讨论了一维亚纳米材料的类高分子性质，包括分散性、凝胶化和粘结性等。随后，介绍了亚纳米材料的自组装、静电纺丝、湿法纺丝以及多酸团簇的表面活性剂辅助组装等。最后，讨论了通过协同效应和电子离域效应来调控亚纳米材料催化性能。亚纳米材料在催化、光学、粘结、凝胶化等方面显示出巨大的潜力，为纳米材料的应用开辟了一条新的道路。这篇述评文章简要介绍了亚纳米材料研究的当前进展和未来挑战，我们希望能为那些对亚纳米材料感兴趣的研究人员提供一些有用的信息，产生新的启发。

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AMR：请问您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

亚纳米材料是打通无机材料与高分子材料这两大类传统意义上截然不同的材料之间界限的切入点，也因这一想法所代表的巨大挑战与机遇，才有了团队今天的成果。本文中所总结的进展都只是团队研究计划的一部分，打通无机材料与高分子材料两者之间的界限，是团队更大的目标。

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AMR：您觉得这个领域可能会出现哪些

研究机会？

作者团队：

目前亚纳米材料领域的研究才刚刚开始，研究机会还非常多，但是机会和挑战是并存的。一是亚纳米材料的手性。此前团队关于亚纳米线本征手性的研究虽然在一定程度上阐明了亚纳米材料到宏观手性结构的手性演化，实现了手性无机材料向非手性有机分子的手性传递，但是并不够全面深入，目前课题组还在开展许多关于亚纳米材料手性研究的工作希望能够进一步的深化对亚纳米材料手性的理解，并探究其在手性光学、催化等领域的应用。二是亚纳米材料的精准控制合成。虽然团队发展了良-不良溶剂体系和团簇共组装策略，但是目前还无法实现对亚纳米材料的精准设计合成，这也是一个非常值得研究的方向。一旦能够实现，则亚纳米材料的功能性将大大提高，应用领域将大大拓展。三是亚纳米材料的精准组装。虽然亚纳米材料具有类高分子性质，但是其组装加工还并不能像高分子材料的加工那样成熟。首先要解决其宏量制备的问题，后续则是对组装工艺的开发和优化，这将为其实际应用奠定基础。四是亚纳米材料在催化领域的应用。由于亚纳米材料可实现多组分结合，因而可基于协同效应制备高催化活性的亚纳米催化剂，在室温脱硫、半加氢、环氧化等催化反应中具有很好的效果，这也是一个很值得研究的点。

04

AMR：该领域当前最值得关注的热点是？

作者团队：

亚纳米材料领域当前最值得关注的热点还是亚纳米材料的类高分子性质，这也是我们始终关注的重点。这是其后续加工组装的基础，也是最有望打破传统无机材料与高分子材料之间壁垒的敲门砖。

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AMR：您有什么研究心得想分享给读者们？

王训教授：

希望大家在科研工作中能够更多地关注和思考自己在前人基础上提出的新见解、新问题，对课题组、相关方向乃至整个科学体系做出了什么贡献，养成这种思维方式、不断反思总结，进而逐步认清自己的方向。

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AMR：您对该领域的人才培养有什么建议？

王训教授：

从目前来看，亚纳米材料研究才刚刚挖掘了冰山一角，这是一个需要多学科知识的研究领域，希望越来越多具有材料、物理、化学、机械等背景的研究人员加入进来。“化学为基，精于研理，创新物质，做大学问”，建议大家扎实基础理论、培养科研创新能力、批判思维和国际视野，努力成为立志为化学事业奉献毕生的高层次人才。

清华大学化学系

教授 王训

王训，清华大学化学系教授，国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授。主要从事无机纳米材料化学研究，在无机纳米晶体新结构控制合成、形成机制及组装领域取得了一些进展。共发表SCI论文200余篇，SCI总引用21000余次，他引20000余次。兼任《化学学报》、《中国科学：化学》、《高等学校化学学报》、《结构化学》、《无机化学学报》编委，Editorial board member of Advanced Materials，Editorial board member of Nano Research，Scientific Editor of Materials Horizons，Associate Editor of Science China Materials，Associate Editor of Science Bulletin，Associate Editor of Nano Research，中国化学会副秘书长。曾获2019年首届科学探索奖、Hall of Fame (Advanced Materials, 2018)、国际溶剂热水热联合会ISHA Roy-Somiya Award (2018)、Fellow of the Royal Society of Chemistry (2015)、首届高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）青年科学奖（2015）、第八届“中国化学会－巴斯夫青年知识创新奖”、2009年第十一届中国青年科技奖、2009年“中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖”、2005 IUPAC Prize for Young Chemists等奖励和荣誉。

清华大学化学系

博士后 张思敏

张思敏，于2015-2022年在清华大学化学系攻读博士学位并从事博士后研究工作，师从王训教授。主要研究方向是亚纳米材料的加工/组装及应用。

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