AMR Account∣国家纳米科学中心张勇研究员团队：极小尺度材料―普适制备与性能增强

近日，国家纳米科学中心张勇研究员团队的AMR述评文章“Extremely Downsized Materials: Ball-milling-Enabled Universal Production and Size-Reduction-Induced Performance Enhancement”在线发表。文章介绍了极小尺度材料的制备方法，重点关注硅球辅助球磨实现了极小尺度材料的普适制备，并且获得了尺寸依赖的增强性能，同时展望了该领域的挑战与机遇。

关键词：极小尺度材料，硅球辅助球磨，普适制备，本征状态，增强性能

提出协同球磨原创策略，实现极小材料普适制备。

文章内容简介

极小尺度材料包括量子尺度材料和亚纳米尺度材料，它们分别与激子尺寸和晶胞尺寸相对应。极小尺度材料的制备方法包括自下而上和自上而下两种策略。自下而上策略通常涉及化学（溶液）合成出配体保护的极小尺度材料，如胶体量子点和亚纳米团簇。自上而下策略一般通过破坏本体材料的化学键合以及非键作用制备出本征状态的极小尺度材料，由于没有配体保护，它们处于非平衡状态。本征状态极小尺度材料具有重要研究意义与应用价值，不过其普适制备极具挑战。

我们团队致力于极小尺度材料的物理制备及性能研究。我们先后开发出狭义（盐辅助球磨）和广义（硅球辅助球磨）方法用于量子尺度材料的物理制备。相对于狭义方法，广义方法代表着优越性和普适性。硅球辅助球磨实现了理想的二元协同球磨，从而将层状材料、非层状材料、非平面层状材料、非范德瓦耳斯层状材料、拓扑绝缘体/半金属等本体材料稳定、高效地破碎至量子尺度。我们同时揭示了材料性能（荧光、非线性光学、电催化、载流子动力学）随材料尺寸（100 nm至1 nm）的变化规律：材料尺寸持续减小，材料性能全面提升。

我们最近开发出三元协同球磨方法，将过渡金属二硫族化合物和石墨破碎至亚纳米尺度，制备出亚纳米二硫化钼/二硫化钨和亚纳米石墨烯。考虑到制备策略的机械/力学属性以及单层石墨烯具有已知最高（面内）断裂强度（130 GPa），亚纳米石墨烯的成功制备证实了这一策略的高度普适性。与纳米尺度（100-1 nm）和量子尺度（10-1 nm）相比，亚纳米尺度（小于1 nm）极大提升了材料的荧光和非线性光学性能。我们前期得出的材料性能随材料尺寸变化规律得以延续至亚纳米尺度。亚纳米材料普适制备的实现，展示了自上而下物理制造的极限能力以及破缺晶格的真正潜力，标志着破缺晶格作为全新研究对象的开始，为研究非平衡亚纳米材料的性质和相互作用奠定了重要基础，有望促进亚纳米材料的规模制备和全面开发。

AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们知道，材料领域涉及到的最小单元为原子。原子可以单独存在，如惰性气体，不过更多通过化学键合或非键作用构成多原子体系，如分子、高分子、超分子、团簇、晶胞等。处于激发态的多原子体系可能涉及激子（通常为量子尺度）等。对于固体材料，尤其是晶体材料，其基本单元为晶胞，通常为亚纳米尺度。量子尺度和亚纳米尺度都是极小尺度。极小尺度多原子体系由于具有超高的比表面以及超小的尺寸，从而表现出突出的表面效应与量子效应，因此受到广泛关注。通过化学或组装获得的多为平衡态多原子体系，能态较低，活性较小；而通过物理或破缺获得的可能为非平衡态多原子体系，能态较高，活性较大，类似于激发态或过渡态，具有重要研究意义与应用价值。我们最初的构想就是通过自上而下物理方法，由本体材料出发，将非平衡态多原子体系制造出来。这就需要不断突破其制造极限，而制造极限的突破极具挑战。通过团队不懈努力，我们将自上而下物理制造极限先后推进至量子尺度和亚纳米尺度，从而实现了量子尺度材料的普适和规模制备以及亚纳米材料的普适制备，换句话说我们实现了极小尺度材料的普适制备，这个也是我们的阶段性目标。

AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们的研究领域为本征状态极小尺度材料。本征状态极小尺度材料代表着非平衡态，尤其是本征状态亚纳米材料代表着极端非平衡态，即破缺单胞状态。相对于完美晶格（晶胞），破缺晶格（晶胞）为全新研究对象，必将带来全新机遇。

AMR：请和大家分享一下这个领域可能出现的研究机会！

张勇研究员：

我觉得以下三个方面充满机遇与挑战：1）极小尺度材料表面原子的精确控制：这对于理解和利用其非平衡态极为关键。2）将自上而下物理制造极限推进至单原子尺度：这必将成为材料领域的颠覆性技术。3）按需定制极小尺度材料的复杂功能：这有望满足各种实际应用。

作者团队简介

张勇，国家纳米科学中心研究员，博士生导师。主要从事低维纳米材料、薄膜材料，以及高分子复合材料的研究。提出了协同球磨原创策略，实现了极小材料普适制备。发表论文数十余篇，申请专利十余项。

赵策，国家纳米科学中心在读硕士生，导师为张勇研究员。研究方向为极小尺度材料的制备与性能。

陈哲学，2023年博士毕业于国家纳米科学中心，导师为张勇研究员。研究方向为亚纳米材料的制备与性能。

文章：

Extremely Downsized Materials: Ball-Milling-Enabled Universal Production and Size-Reduction-Induced Performance Enhancement

Ce Zhao, Liuyang Xiao, Zhexue Chen, and Yong Zhang*

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00306