美国发现新纳米材料的三维分子结构

据physorg网消息，来自美国能源部布鲁克海文国家实验室，中密歇根大学，以及密歇根州立大学的科学家们日前发现了一种纳米物质的三维分子结构拥有广阔的实际应用前景，其中包括更加有效的太阳能电池、生物传感器以及更加轻薄的电视/电脑显示设备。该研究成果发表在近日《美国化学学会期刊》的网络版上。
    这种材料是一种“高分子纳米复合材料”，它由独特的有机聚合物与尺寸为一纳米或十亿分之一米的无机部分自然形成的合成“积木”。当这些分子聚集到一起，这些基本的单元就形成了这种纳米复合材料。
    “高分子纳米复合材料长期以来一直受到人们的关注，因为它具有可以促进许多科技领域进步的极大潜力，” 布鲁克海文国家实验室的物理学家Tom Vogt说，他是这项计划的研究成员之一。“这种聚合材料拥有独特的机械特性，例如能够弯曲，延伸等性质，而两种成分都是电的良导体。”
    这次研究中是用的聚合物成分是一种被称作聚苯胺材料，把它和诸如氧化金属等多种无机化合物结合能够制造出多种高分子纳米复合材料。在这次研究中，无机化合物的成分是由水分子隔离开的氧化钒。
    在之前的研究中，科学家一直不太了解这种纳米复合材料的结构，这主要是因为它的“积木”并不是规律而整齐地排列。因此，研究小组无法依靠类似X光对这种传统的结构分析方法，因为这些分析方法需要极为有序的晶状样本结构。
    传统的X光衍射过程中，X光线会从样本的原子上“反弹”或衍射开，最终形成清晰地光束。只要对这些光束加以分析，就能够轻易地得到有关样本中原子的位置与类型的详细信息。但是当X光线从纳米复合材料中散射开来的话，光束就会被“抹去”，从而使科学家无法得到有关结构的信息。
    因此，研究小组采用了一种非常规的数学算法来破解这些X光线散射数据。起初先用这一方法来单独分析聚苯胺聚合物的散射数据，然后在单独分析氧化钒，最后开始分析这种高分子纳米复合材料的散射数据。
    研究者们利用这些单独分析所得出的信息，制作出了一个三维立体模型，来反映聚苯胺和氧化钒如何在原子级混合并形成高分子纳米复合体。这一模型还能够描述在上下两层氧化钒之间夹着一层水平的聚苯胺原子链，形成一个“三明治”结构。
    “我们的研究结果展示了如何将普遍应用的X光分析技术与非常规的实验性方法结合来的带纳米复合材料结构的详细信息。这将有助于提高我们对这些物质性质的了解，”来自中米歇根大学的主要研究人员Valeri Petkov说。“我们希望我们成果可以促进人们就这种纳米复合材料进行更多的研究。”
    此外，这一项目还包括密歇根州立大学科学家Mercuriou Kanatzidis所进行的研究，他和自己的研究小组率先开发出了一种方法来合成这些纳米复合材料。
    这项研究由美国国家科学基金会资助。