项目名称：纳米结构材料的程序化组装首席科学家：宋卫国中国科学院化学研究所起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国科学院一、研究内容（1）赋予纳米结构空间各向异性。

各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是程序化组装的基础。

为此我们将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸，形貌和表面化学功能调控，选区修饰，不对称粒子等手段引入空间各项异性的方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。

发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的技术。

（2）纳米结构单元组装的空间调控：利用作用于纳米结构单元的空间各向异性，研究如何可控地将不同的纳米结构单元组装为初级结构；调控组装体中的组分序列和空间构型；设计和构建异质界面，在纳米结构单元之间引入对外界环境刺激敏感的生物或合成大分子；控制纳米结构组装体作为一个整体的性能。

（3）纳米结构单元的动态组装与过程调控：通过精细地调控在纳米结构单元之间的排斥力和吸引力的平衡，在纳米结构单元间始终保持一个可控且较强的排斥力，实现纳米结构单元的组装的动态化。

此外，利用各种界面作模板诱导纳米结构的组装，界面的动态特征也将用于强化实现纳米结构的动态组装。

利用外加场（光，电，磁），对纳米微粒的组装在过程乃至时间上实施调控。

将通过空间受控组装制得的初级纳米结构，程序化组装为多维度多层次的纳米结构组装体。

在特定区域引入特定组装功能，将其可控集成在器件单元上；将不同纳米结构组装体集成在一起，搭建多级多层次，功能可调，宏观可用的功能材料。

（4）研究组装过程与组装体的能量传递和物质传输：发展实时监控纳米组装单元和各级组装体的原理和方法。

通过对纳米结构的组装过程的动力学和热力学的研究，从纳米结构单元层面上认识组装过程中物质能量转化与界面行为，获得其中物质能量转化与界面行为的基本规律。

通过组装体的结构，调控在组装体中物质传输和能量传递，以适应不同应用过程的需要。

借鉴超分子合成和组装以及生物大分子程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，发展纳米层次的组装物理化学。

通过对组装过程规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的功能材料，发展全新的材料性能；（5）纳米结构材料的规模化制造与应用：程序化组装，特别是动态组装可以显著地降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于规模化地制备纳米结构材料，因此我们将探索一些纳米结构材料程序化组装方法的规模化。

同时，以应用需要为导向来设计材料，在光学材料，离子通道，分子扩散，催化等不同应用领域，设计相应的组装路线。

通过设计材料—〉程序化自组装得到材料—〉应用实践检验材料—〉修改完善设这样一个螺旋上升的过程，为一些应用过程发展高性能的材料。

上述研究内容覆盖了纳米结构程序化组装过程中四个层次：纳米结构单元的设计，初级纳米结构的空间受控组装和多级纳米结构的动态可控组装，组装过程和组装体中物质传输和能量传递规律，以及纳米结构的集成和应用，可望为纳米结构材料的设计和应用奠定坚实基础。

二、预期目标总体目标：通过本项目支持，我们争取在纳米结构程序化组装方面做出若干在国际上具有原创性的研究成果。

在知识创新方面：我们希望在纳米结构的组成，形貌和表面控制，纳米结构间相互作用的调控，纳米结构的动态组装，组装结构能量和物质的传输等方面提出一些概念，原理和理论。

5年内争取发表300篇SCI收录的论文，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，获国家奖1-2项。

在方法创新方面：建立空间和顺序过程乃至时间进行调控的纳米结构材料程序化构筑方法。

发展纳米组装过程实时监控的新方法。

在技术创新方面：发展单分散各向异性纳米结构单元的制备技术，纳米结构自组装的时间和空间调控技术；异质结构的调控技术；程序化组装技术与传统微纳加工技术的结合。

在材料创新方面：创造以纳米结构为单元的新型功能材料。

在优秀人才培养方面：培养一批高层次的研究人才，包括若干国家杰出青年科学基金获得者，形成几个在国内外有重要影响的纳米微粒程序化组装的基地。

预期目标：在单分散各向异性纳米结构单元的设计思想与制备方法方面取得突破，获得多种具有特定理化性质的组装单元；对单分散纳米结构单元的形成机理、适用理论进行深入探讨并对其进行完善；从微观层面上系统研究单分散各向异性纳米颗粒结构与性能的关系，为纳米结构的程序化组装奠定基础。

建立纳米结构程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，获取纳米粒子空间定向和分级组装的规律，研究组装体的动态调控过程，从而初步建立以纳米粒子为组装单元的组装化学，设计构筑具有新颖性能的纳米结构组装体储能电极材料；开发出具有高速电子、锂离子通道的高能量密度、高功率密度纳米结构材料作为锂离子电池的正、负极材料。

通过程序化组装，以金属，半导体，以及复合物为结构单元，制备多种纳米条码。

开发出快速准确的纳米条码读码手段。

在生物医用分析和传感检测中作为载体。

发展一种多流体复合高压静电加工的技术，可控制备具有多腔中空结构和多核－壳复合结构的零维或一维微纳米材料。

在吸附、微催化反应器以及节能、储能和保暖纤维等方面应用。

为具有复杂结构与组成的零维、一维微纳米材料的可控制备提供一个比较简单快速、普遍适用的方案。

通过聚合物分子结构设计，实现乳胶粒子核壳结构控制，进一步通过粒子间弱相互作用实现聚合物光子晶体大面积可控组装，并发展其在太阳能电池、光催化、高灵敏传感器等方面的应用。

三、研究方案在本项目中，我们将发挥化学，物理，材料，和生物的多种学科交叉的优势，针对多维多尺度纳米结构材料的设计，制备与应用及其多层次功能的开发中关键科学问题进行研究，对纳米结构材料的程序化组装这一重大问题重点突破，发展纳米加工新技术。

总体研究方案如下：单分散各向异性纳米结构单元的设计与制备借鉴分子合成，高分子活性聚合以及生物分子缩聚的概念来指导纳米结构的制备；通过纳米结构单元的组成，形貌，表面修饰，不对称粒子外场作用等手段在纳米结构单元上构建纳米尺度的空间各向异性。

纳米结构材料的程序化多级组装借鉴生命组织程序化多级组装的概念，在空间精确地控制纳米结构单元的组分序列和空间构型，制备具有空间构型稳定但可调的初级结构；协调纳米结构间的各种相互作用力，构建一个组装-解离的可控平衡，实现纳米结构的动态组装。

同时，对纳米结构间的各种不同层次的相互作用进行时间编码，从而按时间顺序调制纳米结构组装成多级化结构，实现纳米结构的程序化组装，制备多级多层次纳米结构组装体。

纳米结构组装过程以及组装体中的能量转移和物质传输规律与调控研究纳米结构单元程序化组装过程的能量转移和物质传输规律，调控纳米结构组装体内部的能量转移和物质传输方向，研究纳米结构组装体中的能量转移和物质传输对外界环境的刺激的响应，阐明纳米结构材料特有的物质传输和能量转移规律。

纳米结构的规模化制备和应用纳米结构程序化组装的动态组装可以减小因组装过程的随机性造成的组装体的多分散性，从而使规模化制备成为了可能。

这是纳米结构材料器件化应用的前提。

同时，调制所得组装体的表面功能，结合相互作用的时间调控，既可以将纳米结构组装体集成到原型器件上，又可以实现不同纳米结构组装体的集成，构建全新的结构上多维多尺度，功能上多层次的复杂材料。

将通过程序化组装得到的纳米结构材料用于组装光电子器件、能源、催化等方面，以应用中的表现来完善材料的设计和组装。

与目前国内外的相关的研究相比，本项目从纳米加工和纳米科技发展的关键问题切入,对纳米结构材料的程序化组装的各个层次进行深入系统地研究，体现我国“有所为，有所不为”的科技发展观，争创原创性的基础科研。

本项目研究团队在纳米结构程序化自组装的前期研究中取得了一系列重要前期成果。

基于上述研究思路和方案，本项目将不仅在纳米结构材料的程序化组装的基础研究领域取得在国际上具有重要影响的成果，开发具有重大应用价值的纳米结构组装材料，并且将培养出一批具有国际影响力的科学人才，形成独具特色的研究群体，为我国纳米科技的发展做出贡献。

课题设置本项目从纳米结构材料的程序化组装出发，结合已有研究基础，系统深入研究从单分散各向异性纳米结构单元的制备，到多级纳米结构的程序化动态组装。

通过程序化组装实现对材料性能的高度调控。

围绕研究目标，本项目设置以下4个课题：1、单分散各向异性纳米结构单元的设计与制备研究纳米结构单元（包括纳米微粒和纳米孔）的成核和生长机制；探索纳米结构单元的组成、尺寸和形貌的调控技术；纳米结构单元表面的选区修饰；研究纳米结构组分调控技术，制备不对称粒子；发展不对称纳米粒子结构和性质的表征技术。

目标：建立单分散各向异性纳米结构单元的制备方法，获得多种具有特定理化性质的组装单元，为课题2，课题3，和课题4提供基础。

承担单位：国家纳米科学中心负责人：魏志祥（研究员，百人计划，国家纳米科学中心）经费比例：17.27%2、多维多尺度纳米结构的制备及其功能性调控系统研究各种组装驱动力作用下纳米组装单元的组装规律。

调控纳米组装单元间相互作用，实现初级纳米组装结构的空间可控组装；设计并制备缺陷和异质结构。

利用模板指导初级结构的空间构型的变化，构筑多级组装结构。

通过组装驱动力的强弱，顺序及对外场的响应实现对组装过程的多级调控；实现动态组装。

发展纳米结构单元组装过程的实时监控的新原理新方法。

目标：调控作用于纳米结构单元的各种组装驱动力，实现纳米结构单元的多级程序化组装。

向课题1反馈纳米结构单元的设计需求。

为课题3和课题4提供研究对象。

承担单位：复旦大学负责人：汪大洋（教授，复旦大学）经费比例：27.03%3、程序化组装的能量转移和物质传输规律研究组装过程中纳米结构单元间的协同效应，能量转移和物质传输规律；研究组装体中能量和物质输运与组装体结构的相关性；研究通过缺陷和异质节的设计调控组装体内的物质和能量传输；研究外场作用诱导下组装体内物质和能量的传输。

目标：阐明组装体中能量和物质输运的规律，向课题1，2反馈组装单元及组装体的设计需求，为课题4 性能开发提供理论依托。

承担单位：上海交通大学负责人：车顺爱（教授，长江学者，杰出青年，上海交通大学）经费比例：24.10%4、纳米程序化组装材料的规模化制备和应用探索纳米结构单元的规模化制备方法。

研究组装体材料的规模化制备方法，应用于催化，储能等方面。

探索将程序化组装技术与传统微纳加工技术的结合方法，用于光电子器件。

开发组装材料规模化制备用设备。

目标：基于课题1和2的研究，发展规模化构筑程序化组装材料的方法，宏量制备。

与课题3配合，探索程序化组装材料在光电子器件，能源，催化等方面的应用。

承担单位：中科院化学所负责人：宋卫国（研究员，杰出青年，中科院百人计划，化学所）经费比例：31.60%为了推动项目的顺利实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把主要研究内容划分为4个层面，组织4个课题进行分工合作研究。