日前，上海復旦大學趙東元院士團隊提出新型材料組裝方法，藉此造出一種多孔碳材料，在電化學鈉儲存上具有一定的潛在應用。
（來源：Matter）
上述方法的原理在於：將軟膠束基元與硬剛性顆粒互相結合。也就是說，這種方法是一款軟硬協同的順序組裝法。
其中：軟膠束基元，指的是三嵌段共聚物 Pluronic F127/聚多巴胺復合材料；硬剛性顆粒，指的是膠體二氧化矽納米球。
硬二氧化矽球的引入，不僅巧妙繞過了軟膠束組裝的不兼容，而且還能保持與 F127/聚多巴胺膠束的充分相互作用，從而可以製備雙峰有序的結構，進而可以製備多孔碳材料。
這種多孔碳的孔隙可以被調控，並能夠快速進行氧化還原反應，具有良好的贗電容鈉離子存儲性質，有望為組裝介觀結構、多尺度納米結構、以及複雜層次結構的提供新的解決方案。
研究中，他們嘗試將多孔碳用於製備鈉離子電池，測試結果顯示這種電池的性能較為出色。
不過，本次課題仍然處於基礎研究範疇。一方面，他們只是在實驗室進行少量合成，距離量產還有一定距離；另一方面，這種合成方法在成本上能否替代同類商用產品還是一個未知數，而要想實現實用化和產業化還需要更多的探索。
超晶格材料的「美中不足」
作為一類新型納米結構，由有序納米顆粒組成的三維超晶格，在光電器件、能量轉換、催化、存儲等方面具有廣泛的應用潛力，近年來也一直備受學界關注。
通過調整和集成納米顆粒的協同功能、組成單元、形態、尺寸，可以有效地控制超晶格材料的性質。
隨著納米粒子自組裝的不斷發展，已經出現多種超晶格材料包括金屬氧化物、化合物、團簇等由剛性構件組成的超晶格。
然而，將軟材料比如超分子膠束組裝成具有多重有序的結構，或者組裝成複雜性的層次結構，仍然存在較大挑戰性。
膠束，是由兩親性表面活性劑/嵌段共聚物組成的軟凝聚態物質。對於膠束來說，它裡面的大多數介孔結構來源於具有高可控性和通用性的單膠束組裝，但是這時的膠束裡面只有一個周期介孔。
多個膠束或與其他介觀單位的協同組裝，可以為探索新性質和新技術提供潛在機會。不過，與硬納米晶超晶格不同的是，目前依舊很難合成複雜膠束的超晶格。
當前主要存在困境在於：軟超分子組裝的關鍵在於，如何合理平衡組裝單元之間的相互作用。這就需要在組裝過程中既有足夠的作用力，同時也要保持軟模板分子的亞穩態，也就是所涉及的不同膠束或介觀單元必須既能獨立共存、又能相互作用。
而在多數情況之下，不同膠束更加傾向於自發融合或自發聚集，這就導致在組裝時會出現互相干擾，從而讓多膠束組裝體系的建立遭到嚴重限制。
基於此，課題組開展了本次研究，即基於超晶格材料中面臨的一些不足，提出了新的路線和方法。
從「有些沮喪」到「重拾信心」
研究中，課題組通過使用各種表征技術，來對所合成材料的結構和理化性質，進行全面分析和詳細證明。
在軟-硬模板的巧妙幫助之下，他們進行了精細的次序組裝，藉此構築出含有有序雙峰的多孔超結構，為新型介孔材料的發展提供了寶貴見解。
詳細來說，他們先是針對領域內的上百篇文獻，進行梳理、歸納總結。一開始，該團隊本想解決軟膠束組裝不適配的問題，再三考量之後決定把硬物質引進到體系之中。
為驗證上述想法是否可行，他們先是做了預實驗，並對實驗結果進行定性的分析和驗證。
期間，他們通過篩選二氧化矽小球以及 F127 軟膠束，來對上述想法進行驗證。從協同組裝結果來看，上述路線具備較好的可行性。
這時就需要對課題思路進行統籌和設計，圍繞合成路線以及結構開展表征，再通過實驗來對參數進行調控，並對合成機理和潛在應用加以探討。之後，他們又對所合成的材料開展一系列的調控，並參照實驗結果，來深化論文中所提出的論點。
儘管此次課題的整體設計比較簡單，但是實驗手法的要求很高，所合成的材料必須非常均勻，才能實現超結構的組裝。
此外，還有不少實驗細節必須謹慎對待，比如能否對材料進行超聲、是否會對材料產生破壞，這些細小的注意事項都是他們慢慢摸索出來的。
擔任本次論文共同通訊作者的內蒙古大學教授蘭坤表示：「負責這次課題的學生是從本科上來的直博生，本科期間並沒有接受太多的科研培訓，一開始連化學實驗、超聲、離心這些基本實驗技能都不會，所以這名學生在材料合成前期確實有些沮喪。」
後來，蘭坤對學生進行一對一指導，帶著她一步一步地合成，為她講解實驗要點，指導她要在實驗過程要多思考，不能不加思考地只顧著做實驗。不久之後，這名學生掌握了實驗要點，也開始重拾信心，按部就班地完成了本次課題。
最終，相關論文以《基於合作軟硬模板對的雙峰有序多孔體系》（Bimodal ordered porous hierarchies from cooperative soft-hard template pairs）為題發在 Matter，LiuLu 是第一作者，趙東元院士和蘭坤教授擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Matter）
蘭坤坦言：「整體來看，我們這次只是嘗試使用一種迂迴策略來實現雙重有序孔結構。對於軟膠束的多元組裝來說，本質上並沒有得到真正的解決。」
所以，他們打算繼續開展兩方面的探索：
其一，計劃實現更高級別的超級裝配，在本次方法的基礎之上實現更多元、更多組成的集成組裝，包括將外層從兩層變為多層，以及實現不同的物質組分。
同時，將內層氧化矽變成其他納米形貌、以及其他功能性內核，甚至在內核還可以賦予更多功能，例如在二氧化矽球里包覆活性物質或者摻雜活性物質，以此拓展更多的潛在應用。
其二，面向軟膠束之間不兼容、無法相對穩定存在、且組裝時彼此互相干擾的問題，通過設計控制兩種不同的膠束單元，來進行真正意義上的二元自組裝。「雖然十分困難，但是相信這樣的研究在介孔材料組裝合成領域會具有重要意義。」蘭坤說。
離開上海，馳騁西北
另據悉，蘭坤的碩士、博士乃至於博士後研究，均在趙東元院士團隊完成。
他說：「十年期間趙老師作為我的導師引領著我的研究生涯，他經常在工作指點中提出很新穎很、有趣的想法，雖然難以實現，但機遇與挑戰並存，保持新奇的想法並付諸於實踐，一直是趙老師課題組長盛不衰的原因。」
而在博後期間，蘭坤不斷思考如何成為一名像趙東元一樣的好導師。空暇之餘，他也在擬定參與工作之後的課題組規定。
「正是有了這段經歷，能讓我在加入內蒙古大學之後，迅速實現身份轉變，制定了課題組的管理規定，包括給予學生怎樣的課題、怎樣指導學生做科研、如何營造學術氛圍、如何與同學相處，這都是在博後期間過渡所帶來的益處。」蘭坤說。
圖 | 蘭坤（來源：蘭坤）
那麼，他是基於怎樣的契機選擇加入內蒙古大學？其坦言：「對於我們年輕人找工作，無非考慮幾個方面：個人待遇、發展空間、身心愉悅。趙老師江湖地位、資源、影響力、口碑，不客氣地說確實能為我們創造極大的發展空間和條件。」
2022 年，在與內蒙古大學簽訂戰略合作協議之後，趙東元院士被正式引進內蒙古大學，並牽頭建立了內蒙古大學能源材料化學研究院，同時兼任內蒙古大學名譽校長。
蘭坤說：「為了發展和組建科研隊伍，趙老師建議我去內大任職，並與我詳細地介紹了去到那邊的好處與壞處。隨後我進行了面試，由於師父的大力推薦和個人一定的科研積累，內大提供了一份十分優厚的駿馬計劃 A3 崗人才引進待遇。」
在充分考慮內蒙古大學與其他高校和科研院所的待遇以及發展空間之後，蘭坤感覺來到內蒙古大學能夠兼具好的個人待遇、充分的學術資源和條件。
他說：「學校和學院對於我們年輕人都非常支持和重視，比如為我們提供數百萬的科研啟動經費、安家費、額外的博士生、碩士生指標、充分的實驗室空間、不定期的校領導座談解決實際問題，這相當于海外人才引進的待遇。」
「現在內蒙古大學已經聚集大批學術青年人才，並已投入大批經費和資源，也進行了領導班子重組和管理改革，相信未來幾年在學術科研水平上會有更大的發展。」蘭坤最後說道。
參考資料：
1.Liu, L., He, Y., Yin, S., Chang, X., Zhang, J., Peng, L., ... & Zhao, D. (2023). Bimodal ordered porous hierarchies from cooperative soft-hard template pairs.Matter, 6(9), 3099-3111.