從能量的角度來看，零（0）維材料是最穩定的。特別是在納米維度上，合成低維度非球體結構非常具有挑戰性。在過去的幾十年里，人們對納米材料的拓撲設計越來越感興趣，特別是低維納米材料因其在力學、光學和電學等方面的優異性能而受到廣泛關注。其中，一（1）維納米材料由于其高縱橫比的結構特征，結合高表面積、量子限制效應和豐富的表面功能，使得其具有很大應用空間，例如在吸附、催化、傳感器、生物醫學、能量轉換和存儲等領域都有廣泛應用。此外，將多孔結構引入一維納米材料不僅可以為反應提供豐富的活性位點和界面，還可以緩解機械應力和體積變化，這對于許多質量擴散受限的應用是非常理想的。迄今為止，人們對一維多孔納米材料的合成方法進行了大量的研究。然而，目前方法制備的大多數樣品僅限于小孔徑或不規則孔隙率。將有序的介孔結構引入一維納米纖維可能會獲得優化、增強甚至是新性能。
圖1：有序介孔納米纖維的合成過程與微觀結構表征。
本研究以F127三嵌段共聚物為結構導向劑，六亞甲基四胺(HMT)為固化劑，酚醛樹脂為碳源，在水熱條件下，通過動力學驅動的單束定向自組裝策略制備了一維有序介孔碳納米纖維（圖1)。
圖2：介孔納米纖維中介觀相的調控。
同時，F127/Resol的質量比對產物的形狀和孔隙結構也有較大的影響。通過將F127/ ressol的質量比從0.3提高到0.45，納米纖維內部的球形孔隙逐漸擴大并演變成圓柱形結構 （圖2），從而可以得到不同介觀結構的納米纖維。
圖3：單膠束一維定向自組裝的機理。
圖4：3D納米纖維冷凍凝膠的結構設計與制作。
圖5：有序介孔納米纖維及其衍生的多種應用。
由于其一維形態、良好的介觀結構和良好的氮摻雜性能，所得到的介孔纖維被認為是一種具有實際應用價值的先進材料（圖5）。恒流充放電曲線顯示，在0.1 A g?1電流密度下循環100次后，OMCF電極穩定容量為346 mAh g?1，遠遠優于無孔碳顆粒電極。此外，以OMCFs氣凝膠為負極材料，以Na3V2(PO4)2F3為正極材料，進一步組裝了全電池。兩個硬幣型全電池可以為商用LED燈供電，表明其具有巨大的實際應用潛力。在染料分離、海水淡化等水凈化領域，OMCF對羅丹明B的吸附量為384 mg g?1，高于商品活性炭的吸附量。另外，多級孔結構化的OMCFs氣凝膠裝置的蒸發速率高達2.4 kg m?2 h?1，分別是純水和隨機連接納米纖維的6倍和1.5倍。
總之，作者已經展示了一種簡單而有效的單束定向自組裝方法來制造有序介孔納米纖維。在該合成中，通過HMT水解可以調節單束自組裝動力學，同時實現了一維形態和有序介觀結構控制合成。通過調節反應參數(如反應物化學計量比)，可以系統地調節納米纖維中孔結構從三維立方到二維六方結構。所得的OMCFs可以大規模組裝成多級的多孔氣凝膠。其在鈉離子電池，水處理等方面表現出了優異的性能。這項工作不僅提供了一種新的方法來制備新型一維有序介孔材料，用于各種的應用，更令人印象深刻的是，獲得了對單膠束自組裝化學的新見解。
論文信息：Peng, L., Peng, H., Wang, S. et al. One-dimensionally oriented self-assembly of ordered mesoporous nanofibers featuring tailorable mesophases via kinetic control. Nat Commun 14, 8148 (2023).
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43963-z
