2018年5月14日，Nature和Nature Nanotechnology分别报道了北京大学和清华大学的2项重要研究成果。一个是基础研究，一个是应用研究；一个展示了趣味十足的纳米限域离子传递，一个发布了史上最强的碳纳米管超级纤维。
北大Nature：单分子操纵揭示钠离子纳米限域传递速率受水合数目影响！
第一作者：Jinbo Peng, Duanyun Cao,Zhili He.
通讯作者：Li-Mei Xu, Yi Qin Gao,En-Ge Wang, Ying Jiang
第一单位：北京大学
研究亮点：
1.实现了精确控制水分子一个一个地结合到单个Na+上的分子操纵。
2.揭示了具有特定数目水合数的水合离子的扩散速率，取决于水合离子和表面晶格之间的对称匹配度。
水合离子在二维层间以及碳纳米管等纳米尺度的限域空间内的传递现象，广泛存在于自然界和生物体系。这种纳米限域的传递行为与体相空间内的传递行为截然不同，研究其背后的发生机理，从原子和分子的角度理解离子和水分子、界面之间的竞争作用，不仅有趣，而且也是将其应用到实际社会中的基础。
有鉴于此，北京大学Li-Mei Xu, Yi QinGao, En-Ge Wang 和Ying Jiang团队合作，系统研究了离子水合数对于离子传递速率的影响。
图1. Na+水合物的高分辨STM/AFM成像
Na+在自然界和生物体系广泛存在，具有很好的代表性。研究人员利用STM和非接触式AFM操作系统，实现了精确控制水分子一个一个地接触到NaCl（001）面上的单个Na+上，得到了水合数分别为1-5的5种水合Na+。研究结果发现：带有3个水的水合Na+传递速率是其他类型水合Na+的数十倍。
第一原理计算表明，这种高扩散速率是因为Na+周围的三个水分子只需要克服极小的能垒，就能够共同选择，从而形成亚稳态。而其他水合数的Na+需要克服的能垒都要大得多。经典分子动力学模拟则表明，这种情况即便在室温条件下也适用。
图2. 针尖诱导Na+水合物的扩散动力学
总之，这项研究揭示了具有特定数目水合数的水合离子的扩散速率，取决于水合离子和表面晶格之间的对称匹配度。
Jinbo Peng, Li-Mei Xu, Yi Qin Gao,En-Ge Wang, Ying Jiang et al. The effect of hydration number on the interfacialtransport of sodium ions. Nature 2018.
清华Nature子刊：80GPa，史上最强碳纳米管超级纤维！
第一作者：Yunxiang Bai, RufanZhang, Xuan Ye.
通讯作者：Rufan Zhang, Xide Li,Fei Wei
第一单位：清华大学
研究亮点：
1.开发了一种单根长度达到厘米尺度的超长碳纳米管。
2.采用同步松紧策略成功解决碳纳米管纤维的初始应变的不均匀性。
3.开发了史上拉伸强度最高的超长碳纳米管纤维。
纳米材料最令人担忧，也是最令人诟病的一个问题在于：一旦组装到微米或者更大三维尺度，就削弱甚至失去其纳米效应，导致难以实际应用。碳纳米管就是其中的一个典型案例。
碳纳米管本征拉伸强度达到100 GPa，是已知强度最大的材料之一，但是却迟迟无法实现美国航天局设定的“7.5GPacm3g–1”的梦之绳索的目标。一个关键难点就在于，常规碳纳米管长度仅有微米级，一旦将短碳纳米管组装成纤维，就会因为相互堆叠和纠缠而产生缺陷、杂质、随机取向以及不连续的长度等问题，导致其失去纳米尺度时的超级强度。
有鉴于此，清华大学Fei Wei、Rufan Zhang, Xide Li团队合作，报道了一种超长、无缺陷、拉伸强度高达80 GPa以上的超级碳纳米管纤维。
图3. 超长碳纳米管纤维的制备和表征
碳纳米管纤维的拉伸强度受Daniels效应控制，Daniels效应来自于单根碳纳米管的初始应变的非均匀性。研究人员采用了一种同时松、紧的策略，来消除这些初始应变的不均匀性。
图4. 超长碳纳米管纤维的同步松紧策略
研究人员首先制备得到一种长度可连续达到厘米尺度的单根碳纳米管，然后组装得到具有统一取向，几乎不含缺陷，初始应变均匀的碳纳米管纤维，这种超长碳纳米管纤维表现出高达80 GPa的拉伸强度，对应的工程拉伸强度高达43 GPa，高于其他任何高强度纤维。
图5. 超长碳纳米管纤维的力学性能
总之，这项研究真正将纳米尺度碳纳米管的超高强度拓展到体相尺度，为碳纳米管的走向更大规模的实际应用做出了革命性的贡献！
Yunxiang Bai, Rufan Zhang, Xide Li, FeiWei et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa. Nature Nanotechnology 2018.
纳米人现开通导师微信群，原则上以教授级优秀青年科研人员为主。目前已有近百位加入，现诚邀更多优秀科研工作者加入。导师群老师可优先报道优质科研成果，优先发布招生招聘推广、高端学术会议或活动宣传等。如您感兴趣，请添加编辑微信（1550304779），并注明 姓名-学校-职称。
