浙江大学刘昭明研究员ACS Nano | 无机离子寡聚体的可控聚合用于精细纳米结构的构建

英文原题：Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in Materials

通讯作者：刘昭明（浙江大学）

作者：Yan He, Weifeng Fang, Ruikang Tang, Zhaoming Liu*

在材料科学领域，精细纳米结构的构建是制备高性能材料的关键。从分子单元出发的自下而上合成，通常要比从纳米单元出发的合成能更精准的构筑纳米结构。有机及高分子化学以共价键为合成基础，已经发展了非常系统的反应方法，因而能从分子的定向设计出发自下而上精准合成纳米结构。然而，在传统无机化学中，无机离子化合物倾向于不可控的成核-生长过程，往往越过分子尺度的单元，直接形成相对稳定的纳米晶体或非晶单元（图1a）。因而目前无机离子化合物的纳米结构调控主要以结晶或无定形的纳米颗粒作为基本单元，通过控制其尺寸、形貌和组装方式实现操控，其纳米结构合成精度相比有机及高分子化合物有所不足。究其原因，有机及高分子化学基于共价键特有的性质已经发展了丰富的化学反应方法，从而能够构筑不同热力学、动力学稳态的分子、纳米结构（图1b, 1c），而依赖经典成核生长的无机离子化合物合成途径，其可调控要素则相对较少（图1d）。然而在生物矿化体系中，生物体通过有机分子及复杂的生物调控可以实现无机矿物前驱体的自由能能垒和生长动力学的调控，从而构建出相对于人工合成更为精细且复杂的纳米结构（图1e）。2019年，唐睿康、刘昭明团队发现了无机离子寡聚体（图1f），并以此为单元通过聚合反应可塑制备无机材料。无机离子寡聚体是一类处于稳态的分子尺度无机离子化合物，这意味着若能系统发展无机离子及其寡聚体间的成键反应方法，将有望像有机和高分子化合物一样，合成出不同热力学、动力学稳态的无机离子化合物分子、纳米结构（图1g）。

图1. 无机、有机与高分子合成化学中的差异，以及无机离子寡聚体在纳米结构合成中的优势

无机离子寡聚体的结构、合成、调控与材料制备在近年来的发展下，目前已经取得较为系统的进展。最近，浙江大学刘昭明研究员在ACS Nano 发表了题为“Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in Materials”的观点文章。该文通过分析无机离子寡聚体的结构特征，从无机离子分子拓扑结构控制、官能团修饰以及无机离子聚合反应调控三个维度出发，讨论了无机离子寡聚体的可控聚合在精细纳米结构构筑中的特点（图2），相关特点在构建无机和有机-无机复合精细纳米结构方面具有优势，为力学增强、能源转换、环境保护、生物医学相关材料及一些传统认知外的新材料开发提供支持。

图2. 无机离子寡聚体的可控聚合在分子、纳米尺度结构构建方面的进展

尽管无机离子寡聚体的可控聚合得到了一定程度的发展，还有许多问题需要进一步探索。（1）当前研究主要集中于无机离子化合物的线性结构排列，而二维、三维拓扑结构的可控合成仍是难题。（2）如何实现无机离子寡聚体从纳米尺度到宏观尺度的长程定向聚合以构筑高性能材料仍然具有挑战。（3）需深入理解无机离子化合物及其复合材料的构效关系，以指导材料性能的提升。（4）能否实现所有无机离子化合物的寡聚体单元制备及其可控聚合，仍有待发展。基于这些挑战，作者认为通过拓展无机离子寡聚体的官能团化反应可以丰富分子单元的设计，从而发展更多策略调控无机离子寡聚体的聚合过程；结合计算模拟和实验，利用机器人自动化合成和机器学习辅助优化，可以加快无机离子寡聚体的聚合反应的探索；以无机离子化合物作为前驱体，通过化学反应实现从无机离子化合物到金属或金属氧化物的可控构筑，有望将无机离子聚合构筑的纳米结构赋予到更多材料中。

该工作受到国家自然科学基金重点项目、面上项目的资助。通讯作者是浙江大学刘昭明研究员。

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Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in Materials

Yan He, Weifeng Fang, Ruikang Tang, Zhaoming Liu*

ACS Nano 2025, 19, 7, 6648–6662

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18704 

Published February 12, 2025

Copyright © 2025 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）