“中国结”竟能让低维磷材料不再“娇气”
不久前，南京航空航天大学航空学院教授台国安在朋友圈发了一则消息，并在配文中写道“吉祥中国结，迎接吉祥中国年”。
临近新春佳节，这样喜庆的文字十分应景，但他展示的消息却与春节没有半点联系，反倒是一则十分“硬核”科技成果。
中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林，台国安团队联合东京大学团队，成功地“织”出了一种名为“磷-锂双螺旋纳米带”的全新材料。该成果能从根源上解决低维磷材料“娇弱易坏”难题，并有望为高端光电、生物医用等领域的材料创新开辟新路径。
近日，这一成果已经发表于国际期刊《科学进展》，但它与传统的“中国结”有着怎样的关系？
“娇气”的磷基材料
当下，半导体技术的发展已经逼近了物理极限，新一代光电设备也呼唤着核心材料的突破。
“在科学领域，超细、超薄的‘低维材料’被视作突破现有信息器件性能极限的关键。”接受《中国科学报》采访时，台国安说，这类材料中，磷基材料又凭借优异的导电、发光性能，成为制作高端光电设备的“潜力股”。
然而，磷基材料有一个致命的缺点——太“娇气”。
“在一维或二维的纳米尺度下，磷基材料只要在空气、水甚至普通环境中暴露几个小时，就会被氧化降解，根本无法投入实际使用。”台国安说，这种“娇弱”的特性，让低维磷材料的实验室研究与实际应用之间，长期隔着一道难以逾越的鸿沟。
为了破解这一难题，全球科研团队尝试过很多补救策略。
“之前的解决办法都是给材料‘穿保护衣’，比如在外部包覆一层膜或者隔绝环境，但这些方式都治标不治本。”郭万林介绍，这种外部防护会牺牲材料本身的优异性能，相当于“为了保命放弃了特长”。更关键的是，这些外部防护手段在复杂工况下极易失效，无法满足实际应用的长期稳定性需求。
因此，如何跳出“外部防护”的思维定式，从材料本身的原子结构与空间构型入手，通过精准的结构设计，让低维磷材料“自赋”抗腐蚀、抗降解能力？这成为了困扰全球材料学界的一大难题。
“中西合璧”的结构
“以结构促稳定”也是郭万林团队坚持多年的方向，但在具体的策略上，他们则采用了“原子级结构设计”的策略。
具体而言，该团队基于理论预测，首次在实验中成功构筑出一种由磷原子与锂原子构成的“双螺旋”纳米带。这种纳米带的内部结构由两种原子交替排列而成，呈现出高度有序的左右手螺旋交替形态。
从某些角度观察，这一结构酷似生命科学领域的DNA双螺旋结构；但如果将纳米带从中间断开，其横截面的结构又酷似我国传统的“中国结”。
“‘双螺旋’代表了国际潮流，‘中国结’代表‘传统文化’，在这样一个纳米级结构中，我们实现了‘中西合璧’。”台国安笑着说。
相较于结构的特色，该材料所表现出的特性更令人惊喜。
通过电子显微镜等精密设备观测，这种纳米带的“身材”纤细而规整——厚度仅3.11纳米，相当于5层原子叠加；宽度能达到百纳米级别，长度更是突破十微米，而且结晶度高、形态均一。
更重要的是，这种结构具有超强的稳定性，相较于传统的黑磷纳米带在空气中数小时内就会被氧化，这种材料在225℃的高温空气中仍能保持结构稳定，泡在水里30天毫无退化，甚至在强酸中浸泡1小时，其晶格依然完整。
“这种稳定性源于材料内部织就的一张稳定的‘防护网’。”台国安解释到，这一防护网能产生三重协同作用——原子间的电子转移、螺旋链之间的相互“拉扯”固定，以及双螺旋结构本身形成的物理屏蔽层，从而在根源上挡住了氧气、水分的侵蚀，彻底告别了“外部保护衣”的依赖。
可供借鉴的研究范式
除了稳定性强外，这种纳米带还具备出色的光学特性。
“它的带隙能在一定范围内可以灵活调控，而材料的发光亮度与其带隙能的大小直接相关，这就使得对纳米带亮度的调节像调节灯泡亮度一样方便。”台国安说，同时，该材料具有的优越光学响应特性，使其在偏振敏感光电探测、非线性光学转换等领域大有可为。
值得一提的是，团队利用该材料优异的水稳定性，成功将其与水凝胶结合，研发出集高导电、自修复、高效光热转换于一体的复合水凝胶。性能测试显示，在可见光照射下，这种复合水凝胶的光热转换效率可高达40.4%，而且经过多次升降温循环后性能几乎无衰减。
“这意味着它未来可应用于光热成像、精准温控、光热治疗以及柔性生物电子设备等领域，为新型智能医用材料的开发提供了创新平台。”郭万林说。
此外，该研究在未来也可能对于人工智能设备的芯片研发带来影响。
台国安告诉《中国科学报》，芯片的核心是晶体管，晶体管数量越多、尺寸越小，芯片运算速度就越快。过去几十年，晶体管尺寸早已经从微米级缩小至纳米级，这一过程的本质就是在纳米尺度上操控材料的过程。
“从这个角度说，现阶段谈论双螺旋纳米带材料在芯片领域的应用还为时太早，但不可否认的是，相关技术在这方面是有着一定的应用前景的。”台国安说。
在郭万林看来，这项成果的核心意义在于，将生命体系的“双螺旋”结构范式引入了无机低维材料领域，并使其具有了一定的普遍应用性。
他解释说，很多材料在宏观尺度下有很好的稳定性，但在纳米尺度或二维状态下，其稳定性会出现断崖式的下跌，比如某些金属、硅材料等，而团队提出的“以结构促稳定”设计思路，不仅解决了低维磷材料的稳定性瓶颈，也为其他易退化低维材料的研发提供了可借鉴的范式。
“目前，我们只是针对低维磷材料的稳定性进行了研究，但事实上，很多低维材料都是可以通过类似的方式提升其稳定性的。从这个角度上说，我们目前的工作仅仅只是一个开头。”郭万林说。
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