與材料組成和結(jié)構(gòu)一樣，尺寸(維度和尺度)同樣可以調(diào)控材料性能。例如，2010年和2023年的諾貝爾物理和化學獎分別授予二維材料和膠體量子點方面的開創(chuàng)性工作，凸顯了材料維度和尺度的重要性。
 

　　中國科學院國家納米科學中心張勇團隊致力于極小尺度材料的物理制備及性能研究。前期，提出了二元協(xié)同球磨方法，將球磨極限推進至量子尺度；開發(fā)出全物理方法，實現(xiàn)了量子尺度材料的普適和規(guī)模制備。相對于狹義方法(鹽輔助球磨)，廣義方法(硅球輔助球磨)具有更多優(yōu)勢。層狀材料、非層狀材料、非平面層狀材料、非范德華層狀材料等都能夠通過廣義方法達到量子尺度。性能研究方面，研究人員揭示了材料性能(熒光、非線性光學、電催化、載流子動力學)隨材料尺寸的變化規(guī)律；實現(xiàn)了(可見光波段)最高紀錄的非線性飽和吸收性能，以及非線性飽和吸收的超高響應(yīng)與超低功率激發(fā)。
 

　　近日，該團隊與合作者提出了三元協(xié)同球磨方法，將球磨極限推進至亞納米尺度，實現(xiàn)了亞納米材料的普適制備。研究人員以過渡金屬二硫族化合物為研究對象，確立了三元協(xié)同球磨方法的有效性。單次循環(huán)制備產(chǎn)率分別為7.2 wt%(二硫化鉬)和4.8 wt%(二硫化鎢)。所得亞納米二硫化鉬/二硫化鎢橫向尺寸約為0.44nm和0.47nm，厚度約為0.55nm和0.61nm，從而證實了其亞納米尺度。與納米尺度和量子尺度相比，亞納米尺度能夠極大提升材料的熒光和非線性光學性能。該研究以石墨為研究對象，確立了三元協(xié)同球磨方法的普適性；同樣操作，單次循環(huán)制備產(chǎn)率為2.3 wt%，所得亞納米石墨烯橫向尺寸約為0.54nm，厚度約為0.37nm，從而證實了其亞納米尺度(破缺單胞狀態(tài))。考慮到上述制備策略的機械/力學屬性以及單層石墨烯具有已知最高斷裂強度，亞納米石墨烯的成功制備證明了這一策略的高度普適性。亞納米材料普適制備的實現(xiàn)，展示了自上而下物理制造的極限能力以及破缺晶格的真正潛力，為研究非平衡亞納米材料的性質(zhì)和相互作用奠定了重要基礎(chǔ)，有望促進亞納米材料的規(guī)模制備和全面開發(fā)。
 

　　相關(guān)研究成果分別以Sub-1 nm MoS2 and WS2 with extremely enhanced performance和Tailoring graphite into subnanometer graphene為題發(fā)表在《今日納米》(Nano Today)和《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學基金，中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和國家重點研發(fā)計劃等的支持。
 

亞納米二硫化鉬/二硫化鎢物理制備
 

亞納米石墨烯物理制備