美开发纳米材料结构分析新法

发布时间：2005/6/13 16:43:44

    美国能源部Brookhaven国家实验室、中密歇根大学和密歇根州立大学的科学家们，日前用自行开发的材料结构分析方法，发现了一种纳米物质的三维分子结构。科学家认为，这种材料在改进太阳能电池、生物传感器及电视和电脑显示屏等方面具有广阔的应用前景。该成果近日在《美国化学会志》网络版上发表。 

    这种材料是一种高分子纳米复合材料，由纳米尺度的有机聚合物和其它无机部分组合而成。这些分子“积木”聚集到一起后，就成为该纳米复合材料的基本单元。“高分子纳米复合材料长期以来备受关注，因为它对许多技术领域都有潜在的推进作用”，Brookhaven国家实验室的物理学家、该研究计划成员Tom Vogt说，“这种聚合材料同样有独特的机械性能，弯曲性、延展性都很好，同时导电性也非常好。” 

    这次研究中使用的聚合物是一种名为聚苯胺的物质。把它和金属氧化物等多种无机化合物组合起来，就能获得一系列的高分子纳米复合材料。本次研究选用的无机化合物则是用水分子隔离开的氧化钒。科学家以前一直不大了解这种纳米复合材料的结构，这主要是因为其“积木”排列并不规则，导致无法像有序的晶状样本结构那样，用X光等传统结构分析手段加以研究。传统的X光衍射过程中，X光线从样本原子上“反弹”或衍射开来，*终形成清晰的光束；对其稍作分析，就能获得样本原子位置、类型等详细信息。但投射到纳米复合材料 上的X光，光束四下散射而被“抹去”，根本不能提供相应的结构信息。 

    为解决这一问题，研究小组采用一种非常规的数学算法，破解收集到的X光散射数据。该方法首先分别单独分析聚苯胺和氧化钒的散射数据，然后分析它们结合成高分子纳米复合材料后形成的散射数据。利用这些信息，研究者制成一个三维模型，用来说明聚苯胺和氧化钒如何在原子尺度混合形成高分子纳米复合体。该模型显示，聚苯胺原子链夹在上下两层氧化钒之间，形成“三明治”一样的结构。 

    “我们的研究结果证明，将普遍应用的X光分析技术与非常规实验性方法结合，就能获得纳米复合材料详细的结构信息。这将促进我们对物质属性的了解”，来自中密歇根大学的课题负责人Valeri Petkov说，“希望我们的工作能促使科学家在这一方面进行更多研究。”据悉，参与该项目的密歇根州立大学的科学家Mercuriou Kanatzidis等，已开发出一种合成这些纳米复合材料的方法。