从自然物质功能材料到新型功能材料 |
| 2013-06-08 16:19 作者：黄建国 来源：中国科学报 关注： 编辑： 【搜索试试】
|
|
硅谷网讯 背景导读：仿生材料对于材料科技工作者和公众而言都是耳熟能详的。自然界中各种天成的物质所具有的独特结构和微观形貌，为面向实际应用的新型功能材料设计和合成提供了得天独厚的舞台。
结合近20年来纳米科技的长足进步，实现自然物质的物理性质和人工设计的化学功能的有机结合，是新材料研究领域内前景诱人的一个方向。
黄建国
自然的纤维素材料，如木材和棉花，及以其为原料制造的纸张等，与人们的生产生活息息相关。这些看似平凡无奇的材料，如作为模板或支架用以构建人造功能材料，便能瞬间华丽变身，成为具有特定功能的高新材料，为新材料的开发和利用提供了一条思路。
基于自然物质的功能材料
当前日益紧迫的环境污染问题不仅关系到经济的可持续发展，同时也与人民的生活质量紧密相关。如何以绿色方法开发新型的低成本实用功能材料，以及实现对环境污染物的快速灵敏检测，科技工作者尤其是材料科学研究人员面临新的挑战，同时也是其在实现“中国梦”进程中的责任。
如何达成这一目标？答案是向自然界寻找。
自然界中天成的自然物质，为先进人造功能材料的开发提供了丰富的资源。在现代科技出现之前，人类的生活所需，无不是向自然界索取。即使现在处于科技高度发达的21世纪，自然物质在社会生活和经济中也扮演着不可或缺的角色。仿生功能材料的合成和应用不仅具有重要的基础研究意义，实用的仿生材料在现实应用中也具有可观的价值。
对于以自然物质为模板和平台构建人造功能材料，国内外材料科学研究人员已经进行了广泛的尝试，比如以木材为模板合成针对催化应用的沸石材料，以羊毛或蚕丝为模板制成金属氧化物电极材料，以硅藻土为框架得到纳米结构硅材料等。
然而，对自然物质进行客体物质在纳米级别精度上的结构和形貌复制，以及对其进行简便有效的功能分子表面修饰，一直囿于有效的技术手段而受到一定的限制。
化平凡为神奇
自然纤维素物质的基本结构单元是由糖环连接而成的聚合物链，该聚合物链因氢键相互作用组合成细小的纤维聚集体，进而聚集为微米尺度的纤维，最终形成宏观的材料。
以此为基础构建新型功能人造材料在两个方面进行，一是以其作为结构模板，应用特定的客体基质复制其结构和形貌，把纤维素物质的独特性质引进到人造材料中去；二是对其进行化学修饰和改性，把其物理特性和人为设计的化学性质结合起来以获得新的材料性能。
浙江大学理学部化学系由我领导的研究小组，近年来专注于基于自然纤维素物质的功能材料的研究和应用。研究人员采用一般实验室用纤维素滤纸，经由相应的表面功能化修饰，制得了一系列功能各异的纳米材料，并探索了有关的实际应用。
以纤维素物质构建功能材料，要点在于所制得的人造材料要保持原纤维素物质从宏观到纳米层次的精细结构，才能把其固有的物理性质和所期望的化学性质完美结合到一处。因而纳米级别的表面修饰是必需的。
鉴于此，研究人员把极薄的金属氧化物凝胶薄层以湿法沉积到纤维素纳米纤维的表面，得到金属氧化物“纳米纸”。一方面，如把纤维素成分以煅烧或者燃烧的方法去除，就得到相应的金属氧化物纳米管材料；另一方面，如在该金属氧化物凝胶层表面进行进一步的功能化修饰，就相应地得到功能化的纤维素复合材料。
对于前者，该研究小组已经制得了诸如二氧化钛、二氧化硅、氧化锡纳米管材料以及相应的金属纳米颗粒或纳米碳纤维复合无机材料，在气体传感和催化方面具有应用价值。对于后者，研究人员引入相应的功能分子修饰，成功合成了系列传感材料。
研究小组实现了对水中汞离子、亚硝酸根离子和氟离子等的类似于常规pH试纸的目视化灵敏检测，从该“试纸”的颜色变化及深浅即可检测有关污染物的存在并估计其大致含量。这对于环境和食品中的污染物监测提供了一条便利的途径。
可以预期，应用该种方法，通过向自然纤维素材料中引入特定的响应基团，可望实现对农药以及特定病毒的便捷监测。
另外，研究人员也实现了对纸张的疏水和疏油化处理，有效地抑制了细菌的沾染，并且该材料在环境中可以无害降解，对于清洁包装材料尤其是食品包装应用具有一定的价值。
自然界是功能材料的宝库，纤维素作为最普通的，同时对于人类社会而言也是最古老的自然材料之一，和现代科技结合，为新材料研发提供了新的视角。（作者系浙江大学理学部化学系教授）
原标题 从自然纤维素物质到新型功能材料 |
|
|
|
【对“从自然物质功能材料到新型功能材料”发布评论】 |
版权及免责声明：
① 本网站部分投稿来源于“网友”，涉及投资、理财、消费等内容，请亲们反复甄别，切勿轻信。本网站部分由赞助商提供的内容属于【广告】性质，仅供阅读，不构成具体实施建议，请谨慎对待。据此操作，风险自担。
② 内容来源注明“硅谷网”及其相关称谓的文字、图片和音视频，版权均属本网站所有，任何媒体、网站或个人需经本网站许可方可复制或转载，并在使用时必须注明来源【硅谷网】或对应来源，违者本网站将依法追究责任。
③ 注明来源为各大报纸、杂志、网站及其他媒体的文章，文章原作者享有著作权，本网站转载其他媒体稿件是为传播更多的信息，并不代表赞同其观点和对其真实性负责，本网站不承担此类稿件侵权行为的连带责任。
④ 本网站不对非自身发布内容的真实性、合法性、准确性作担保。若硅谷网因为自身和转载内容，涉及到侵权、违法等问题，请有关单位或个人速与本网站取得联系（联系电话：01057255600），我们将第一时间核实处理。
|
|
|
|
