注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析
二维过渡金属二硫族化合物（TMDs），由于独特的物理、化学和电学等性质，近年来成为材料研究领域的焦点之一。作为一种原子级厚度的薄膜材料，优异的柔韧性使其可以像纸一样折叠、卷曲自组装成新颖的纳米结构，如纳米卷（NS）。这种纳米卷在继承原有结构优异特性的同时，会产生与众不同的新性质。但是，受限于机械强度和化学稳定性，高质量TMDs纳米卷的制备存在巨大的挑战。
中国科学院化学研究所郑健团队开发了一种简便的溶液诱导组装方法，首次可以几乎无损地获得本征TMDs纳米卷。气相沉积法（CVD）制备的二维TMDs与衬底材料具有不同的热膨胀系数，因此从高温（>700 ℃）生长完成到冷却至室温时在二维材料表面会产生较大的张力，该张力与基底的粘附力平衡，二维材料薄膜稳定在基底上；当一滴乙醇溶液滴到CVD生长的二维材料表面，由于乙醇溶液的插入效应，插入溶液的薄膜处基底的粘附力消失，在内在张力的驱动下，二维材料薄膜卷曲成纳米卷。实验中，研究者仅将一滴乙醇溶液，滴到CVD生长的二维材料表面，在5秒钟内就获得了高质量的TMDs纳米卷，收率接近100%。
图1. CVD生长的TMDs片的自卷曲的示意图
此方法简单、温和，没有高温、高压等具有破坏性的操作，制备的TMDs纳米卷卷曲致密、无杂质、结晶性高。基于其阿基米德螺旋结构，纳米卷的整个片层都能够参与载流子的输运，与卷曲前的单层TMDs片相比，TMDs纳米卷的场效应晶体管迁移率提高了30倍左右。独特的自封装结构使TMDs纳米卷展示了更高的光、电稳定性。
此外，基于其内部开放的拓扑结构，以纳米卷为载体，在其间隙可调的层间负载了有机半导体分子、聚合物、纳米粒子、二维材料以及生命活性物质，制备了在分子水平上复合的异质TMDs纳米卷，这将会赋予TMD-NS新的属性和功能（图2）。这些独特的性质为未来TMDs纳米卷应用于太阳能电池、光探测器、柔性逻辑电路、能源存储和生物传感等领域提供了材料基础。由于二维材料具有原子级平整的表面，该方法可以实现分子级的精度上构筑多功能，能带可调控的一维材料。
图2. MoS2纳米卷的形貌（a），结构（b），光电性能表征（c, d, h）及制备的复合TMDs纳米卷（e, f, g）。（比例尺：a, c, d, 5 μm；b, 20 nm, 插图, 2 nm；f, 10 nm；g, 2 nm.）
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生崔雪萍。
该论文作者为：Xueping Cui, Zhizhi Kong, Enlai Gao, Dazhen Huang, Yang Hao, Hongguang Shen, Chong-an Di, Zhiping Xu, Jian Zheng*, Daoben Zhu
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Rolling up transition metal dichalcogenide nanoscrolls via one drop of ethanol
Nat. Commun., 2018, 9, 1301, DOI: 10.1038/s41467-018-03752-5
郑健研究员简介
郑健，中国科学院化学研究所研究员。2011年于化学所取得博士学位，2011年至2015年在新加坡国立大学二维材料研究中心工作，2015年任职于化学所有机固体实验室。
研究兴趣主要在有机、无机二维材料的制备、自组装以及二维材料在光、电、生命科学等领域的应用。在Nature Communications、Advanced Materials等期刊上发表论文30余篇。论文被Michael S. Strano，Klaus Müllen等国际知名学者在Nat. Nanotech.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.和Adv. Mater.等国际知名学术刊物上引用和评述。被Nanowerk、IEEE Spectrum、Science Daily等多家国际权威学术网站专访和报道。
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？
A：大家都知道二维材料是近几年来材料科学的前沿，围绕二维材料为主题开展了很多研究，比如制备新材料、构筑异质结、器件物理性质等等。以往的研究主要是在二维平面尺度上研究二维材料。但是作为一个层状的薄膜材料，我们非常好奇二维材料是否也可以会像纸一样进行折叠，形成更复杂的三维结构。但是二维材料太薄了，受制于其原子级的厚度，还没有人能够可控的弯曲折叠二维材料，所以我们决定尝试去弯曲二维材料，哪怕做一个卷也好。是好奇心驱使我们去尝试一些有趣的实验。
Q：二维材料纳米卷和纳米管是一个结构吗？它有什么特色？
A：这两个看上去很像，但是有区别。多壁纳米管是由每一层闭合的圆环，同心嵌套构成的，每一层是独立的。而纳米卷则是由一个连续的层螺旋卷曲而成。纳米卷对外是一个自封装的结构，大部分的层都被自己卷在内部，因此具有对环境相对稳定的光、电性质；与此同时，对内是开放的结构，层间距可以随内容物的大小而调节，甚至可以插入比原来层间距大数倍的嵌入物。而纳米管则因为每层是闭合的，层间距已经固定，无法插入体积更大的分子。
Q：本项研究成果在哪些领域有应用前景？
A：这种简便的借助内部张力诱导二维材料产生弯曲折叠的技术可能会在二维材料复杂结构自组装方面提供新的思路。我们认为这种技术也许会在一维材料领域引起更多的兴趣。这种纳米卷其实相当于一根一维的纳米线。因为二维材料具有原子级平整的表面，在复合其它材料时有机会在分子尺度上调控纳米线的能带结构，以及附加新的光电磁学属性。相当于可以搭载多种模块的高斯积木。同时这种纳米卷在能源存储、生物探针、微孔道等领域也会有潜在的应用。我们正在寻求合作伙伴。
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