港理工王鉆開/復旦趙東元院士，最新Nature Synthesis！

從模板到模塊：納米乳液模塊化組裝如何重塑功能介孔納米材料的構筑范式

介孔材料因其高比表面積、可調孔徑和多樣化組成，在能源存儲、催化、傳感和生物醫學等領域展現出重要應用潛力。然而，如何在納米尺度上同時實現孔結構、形貌和組成的精準可控，始終是該領域面臨的核心挑戰。傳統硬模板和軟模板方法雖然在介孔材料合成中取得了顯著進展，但仍存在步驟復雜、結構靈活性不足、孔徑調控范圍受限以及多級結構難以構筑等問題。這些瓶頸限制了功能介孔納米材料在復雜應用場景中的進一步發展。

針對上述挑戰，香港理工大學王鉆開教授聯合復旦大學趙東元院士發表綜述論文，系統綜述了一種新興的介孔材料構筑策略——納米乳液模塊化組裝方法。該方法以穩定的納米乳液為基本結構單元，通過模塊化組裝理念，實現了對介孔納米材料孔徑、結構、形貌和組成的精確調控。文章從納米乳液的形成機制和穩定性優勢出發，對比分析了其與傳統模板策略的本質差異，系統總結了該方法在介孔聚合物、碳材料、二氧化硅、有機硅以及金屬有機框架等體系中的代表性進展，并進一步展示了其在能源存儲、催化、傳感和生物醫學等領域的應用潛力。最后，作者對納米乳液模塊化組裝在機理解析、結構設計、材料拓展及規模化制備方面面臨的挑戰與機遇進行了展望。相關成果以“Nanoemulsion modular assembly for the synthesis of functional mesoporous nanomaterials”為題發表在《Nature Synthesis》上，Liang Peng, Huarong Peng, Yongjiu Yuan, Yuxin Song.為共同第一作者。

圖1從整體概念層面奠定了納米乳液模塊化組裝的理論基礎。圖中首先對比了傳統硬模板和軟模板策略在結構單元與組裝路徑上的差異。與依賴預制模板或膠束協同組裝不同，納米乳液由表面活性劑、乳化劑和前驅體共同構成穩定的核–殼結構，其中疏水乳化劑形成內核，親水前驅體分布于外層。這種結構使得每一個納米乳液單元在最終材料中對應一個介孔，實現了“一孔一模板”的精準映射。由于納米乳液具有更低的吉布斯自由能，其在溶液中表現出更高的穩定性，不僅耐受稀釋和攪拌，還能在溫和條件下快速完成組裝與固化，為后續復雜結構的構筑提供了可靠基礎。

圖1：納米乳液結構與模塊化組裝概念

在此基礎上，圖2進一步揭示了納米乳液在結構層面的高度可調控性。通過選擇不同類型的表面活性劑和乳化劑，并調節其比例和用量，研究者可以在納米尺度上連續調控納米乳液的尺寸。更為重要的是，文章引入堆積參數理論，系統闡明了納米乳液從球形到柱狀、再到層狀及反相結構的演變機制。這一理論框架不僅解釋了多種介孔結構的形成原因，也為后續實現復雜介孔形貌的理性設計提供了清晰指導。

圖2：納米乳液結構調控

隨著結構調控策略的成熟，圖3將視角拓展至材料組成的多樣化。納米乳液模塊化組裝方法突破了傳統軟模板在組成選擇上的限制，成功應用于介孔聚合物、介孔碳、介孔二氧化硅、有機硅以及金屬有機框架等多種體系。通過匹配前驅體反應動力學與納米乳液穩定性，研究者構筑了空心、多腔、不對稱等復雜介孔結構。這種高度通用的組成兼容性，使納米乳液模塊化組裝成為連接多種材料體系的統一構筑平臺。

圖3：介孔納米材料的組成多樣性

在結構精細化調控方面，圖4系統展示了孔徑和介孔結構的連續可調特性。隨著乳化劑用量的逐步增加，材料孔徑從數納米擴展至數十納米，同時伴隨結構從致密實心向多腔、徑向孔道及多殼層結構演化。這種連續、可預測的結構變化，充分體現了納米乳液模塊化組裝在介孔工程方面的獨特優勢，也為針對不同應用需求定制孔結構提供了可能。

圖4：介孔結構與孔徑工程

進一步地，圖5從空間維度角度總結了該方法在一維、二維和三維介孔納米結構構筑中的能力。通過界面約束、空間限域以及各向異性組裝策略，研究者成功實現了納米線、納米片、納米膜以及多腔三維結構的可控構筑。這些結果表明，納米乳液不僅是孔結構的模板，更是形貌設計中的核心反應單元。

圖5：介孔納米材料的形貌調控

在此基礎上，圖6展示了納米乳液模塊化組裝在異質結構構筑中的潛力。通過調控界面能和組裝順序，研究者構筑了核–殼結構、Janus結構以及多級異質介孔結構，使不同功能單元在單顆粒中協同共存。這類結構為多功能催化、分級傳輸以及復雜生物應用提供了新的材料設計思路。

圖6：異質介孔納米材料

最后，圖7系統總結了功能介孔納米材料在實際應用中的優勢表現。在能源存儲領域，開放介孔結構顯著提升了離子擴散效率和循環穩定性；在催化與傳感領域，高比表面積和可達孔道提高了反應動力學和檢測靈敏度；在生物醫學應用中，多級介孔結構和不對稱設計則為藥物裝載、控釋和細胞相互作用提供了結構基礎。這些應用實例清晰展示了結構可控帶來的性能提升。

圖7：介孔納米材料的應用

小結

總體而言，納米乳液模塊化組裝策略為功能介孔納米材料的構筑提供了一種高度靈活且通用的新范式。通過將納米乳液視為基本模塊，該方法實現了孔結構、形貌和組成的協同調控，顯著拓展了介孔材料的設計空間。未來，隨著原位表征技術的進步、理論模型的完善以及規模化制備策略的成熟，納米乳液模塊化組裝有望在能源、環境與生物醫學等領域催生更多突破性應用。