美國發現新納米材料的三維分子結構

據physorg網消息，來自美國能源部布魯克海文國家實驗室，中密歇根大學，以及密歇根州立大學的科學家們日前發現了一種納米物質的三維分子結構擁有廣闊的實際應用前景，其中包括更加有效的太陽能電池、生物傳感器以及更加輕薄的電視/電腦顯示設備。該研究成果發表在近日《美國化學學會期刊》的網絡版上。
    這種材料是一種“高分子納米復合材料”，它由獨特的有機聚合物與尺寸為一納米或十億分之一米的無機部分自然形成的合成“積木”。當這些分子聚集到一起，這些基本的單元就形成了這種納米復合材料。
    “高分子納米復合材料長期以來一直受到人們的關注，因為它具有可以促進許多科技領域進步的極大潛力，” 布魯克海文國家實驗室的物理學家Tom Vogt說，他是這項計劃的研究成員之一。“這種聚合材料擁有獨特的機械特性，例如能夠彎曲，延伸等性質，而兩種成分都是電的良導體。”
    這次研究中是用的聚合物成分是一種被稱作聚苯胺材料，把它和諸如氧化金屬等多種無機化合物結合能夠制造出多種高分子納米復合材料。在這次研究中，無機化合物的成分是由水分子隔離開的氧化釩。
    在之前的研究中，科學家一直不太了解這種納米復合材料的結構，這主要是因為它的“積木”并不是規律而整齊地排列。因此，研究小組無法依靠類似X光對這種傳統的結構分析方法，因為這些分析方法需要極為有序的晶狀樣本結構。
    傳統的X光衍射過程中，X光線會從樣本的原子上“反彈”或衍射開，最終形成清晰地光束。只要對這些光束加以分析，就能夠輕易地得到有關樣本中原子的位置與類型的詳細信息。但是當X光線從納米復合材料中散射開來的話，光束就會被“抹去”，從而使科學家無法得到有關結構的信息。
    因此，研究小組采用了一種非常規的數學算法來破解這些X光線散射數據。起初先用這一方法來單獨分析聚苯胺聚合物的散射數據，然后在單獨分析氧化釩，最后開始分析這種高分子納米復合材料的散射數據。
    研究者們利用這些單獨分析所得出的信息，制作出了一個三維立體模型，來反映聚苯胺和氧化釩如何在原子級混合并形成高分子納米復合體。這一模型還能夠描述在上下兩層氧化釩之間夾著一層水平的聚苯胺原子鏈，形成一個“三明治”結構。
    “我們的研究結果展示了如何將普遍應用的X光分析技術與非常規的實驗性方法結合來的帶納米復合材料結構的詳細信息。這將有助于提高我們對這些物質性質的了解，”來自中米歇根大學的主要研究人員Valeri Petkov說。“我們希望我們成果可以促進人們就這種納米復合材料進行更多的研究。”
    此外，這一項目還包括密歇根州立大學科學家Mercuriou Kanatzidis所進行的研究，他和自己的研究小組率先開發出了一種方法來合成這些納米復合材料。
    這項研究由美國國家科學基金會資助。