最近，清华大学的王训教授课题组在Advanced Materials 发表了一篇题为“Sub-nanometer scale as a new focus in nanoscience ”的综述文章，阐述了纳米科学中的新兴方向——亚纳米领域。

　　随着纳米科学的研究不断深入，目前已经有越来越多的研究聚焦于“纳米世界”的底端：一个纳米左右甚至一个纳米以下的尺度。为了描述这一尺度上的材料，“亚纳米材料（sub-nanometric material）”一词便提出。“亚纳米材料”概念包含两个方面：材料尺寸至少在一个维度上限制在几个原子尺度内；与较大尺寸的纳米材料相比，亚纳米材料具有独特的（与尺寸相关的）性质。例如，一维亚纳米材料（亚纳米线、带、棒及管）具有类似高分子的性质，即特别的流变学性质和自组装性质，而且这些类高分子性质会随着材料尺寸的增加而迅速消失。基于类高分子的流变学性质，亚纳米线溶液可以直接用于静电纺丝制备纤维，而不用额外加入高分子溶液。得到的无机纤维力学性质与高分子相近，并体现出类似高分子的柔性与可加工性。另一方面，这种纤维也保持了无机材料的特性，例如荧光性质等。类高分子的组装性质体现在丰富多样的组装结构中，亚纳米的本质使得组装基元具有柔性，因而可以实现多种构象，从而演化成单壁纳米管、纳米卷组装体超结构等复杂的组装结构。

　　
图1. 羟基氧化钆亚纳米线表现出类似高分子的性能，溶解在正辛烷中形成具有强烈粘性的溶液，甚至可以固定气泡；该溶液可以直接用于静电纺丝，而不用像传统电纺丝那样加入高分子。

　　
图2.（a）亚纳米材料大家庭；（b）对于亚纳米材料来说，无机内核和有机配体共同影响了材料的生长和性质；（c）一维亚纳米材料微观组成和性质与其宏观表现及性能密不可分。

　　零维和二维亚纳米材料已经得到了相当广泛的研究，从传统的金属团簇到最近的热点单原子催化剂，都可以认为是零维的亚纳米材料；而以石墨烯为代表的一大类层状材料，包括六方氮化硼、层状双氢氧化物（LDH）、金属硫族化合物（TMD）等，由于层厚度在原子尺度，因此是二维的亚纳米材料。与零维和二维材料相对比，一维亚纳米材料在很长一段时间内都未得到充分的研究，原因在于其合成难度高，表征手段不足。不过，随着新的一维亚纳米材料不断合成，电子显微、同步辐射、固体核磁等技术不断进步，一维亚纳米材料正得到越来越多的关注。

　　一维亚纳米材料的独特性质已经得到实验证实。最具特点的性质就是材料本身的柔性以及由于柔性而产生的类高分子性质。王训课题组对亚纳米线的柔性产生来源提出了三种猜想，即简单梁模型、构象熵以及弱分子间作用力。但是想要验证这三种猜想还需要进一步的定量测试数据以及严格的数学理论推导。配体效应在研究传统纳米材料时就已经受到关注。由于亚纳米材料中有机配体的比例更高，因此材料的配体效应会更加显著。目前已有多种方法表征材料的配体效应，包括理论定量计算以及实验定性表征，初步的结论是亚纳米材料表面的配体种类和数量会影响材料的催化性能、自组装性质以及电子结构，而且后者很可能也会反过来影响前者。由于亚纳米材料表面原子比例高、配体效应显著，它们的能量转化性能具有潜在的应用前景，目前已有不少实验证实了一些一维亚纳米材料具有优良的光热效应、荧光性质或者电催化性能。

　　
图3. 王训课题组提出的三种模型来解释亚纳米线的柔性：简单梁模型（a）、构象熵（b）和弱分子间作用力（c）。

　　除此之外，当一维亚纳米材料的尺寸减小到极致即为单原子链，目前能够得到的单原子链都必须依赖外界模板的保护，如碳纳米管、DNA等等。可以想象的是，如果无模板的单原子链成功合成，将会大大促进人们对亚纳米材料的结构、生长机理以及性质的认识和理解。

　　一维亚纳米材料由于具有极大的表面暴露原子数量、性质可以被表面配体调控优化等因素，在催化、能源转换等方面表现出极大的潜力，但是目前都还处于研究初期阶段，这一领域目前还有极大的发展空间。王训课题组长期在亚纳米领域探索，研究了一维亚纳米线的类高分子流变学性质、自组装性质以及亚纳米材料在光热、电化学等领域的诸多应用，取得了一系列丰硕的成果。该论文是对该领域的一个阶段性综述，希望未来该领域能够吸引更多的研究者加入，取得更多突破。该工作受自然科学基金（21431003, 21521091）和国家重点研发计划（2017YFA0700101, 2016YFA0202801）的支持，王训教授为通讯作者，博士生倪兵和施雨昂为论文的共同作者。该论文收录于庆祝Advanced Materials 杂志30周年专辑，王训教授也应邀入选该杂志的Hall of Fame。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802031