ISING兄问问题：今天你科普了吗？我响应号召，要科普一下。不过都是小打小闹，基本上属于花脚猫功夫。

我其实本质上算是一个科技爱好者，科学家是要突破性成果才行，但是我也觉得科普的重要，自己了解的某些精彩之处也愿意和大家交流一下。《新知客》的胡源编辑不知道动了那根筋非要我写科普，我还真的就答应了。不写不知道，写了才知道有种叫猫砂的日常用品是是蒙脱土做的，真是谢谢胡源编辑，让我学到一些新的知识。以后我还会大言不惭的写，大言不惭的问。

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科学家用纳米砖砌成多功能墙

修房子都要砌砖，砌砖本身并不难，只要按照要求培训一下就能上岗，不过我有恐高症，恐怕真正去砌砖也吃不消。材料学中倒有一个和砌砖相类似的工艺：组装技术（assembly），这个活比较好办，我在实验室里面可以经常做做。如果这个砖的尺寸只有几个纳米（1纳米比一根头发的直径要小一百万倍）。那么就是一个很前沿材料研究方向：纳米尺度下的构建（nano-architecture）。我最近就注意到材料科学中用这种砌砖的技术，英文叫做layer-by-layer（LBL,意为层层叠叠），构建出来的材料拥有许多常规材料制备工艺无法实现的新性质。

比如美国密歇根大学的Nicholas A. Kotov教授就用这种简单的‘砌砖’的办法把聚乙醇（poly(vinyl acohol),PVA）和蒙脱土交替叠加起来形成纸片状复合材料，工作发表在去年的著名学术刊物《Science》上。聚乙醇是一种聚合物，可以看作胶水吧，恩，也就是砌砖中用的水泥，而蒙脱土是一种片状材料，厚约1纳米，直径在100到1000纳米，就是科学家用的纳米砖了。蒙脱土听起来很陌生，但是生活中经常用到，比如说猫砂就是用蒙脱土做成的。由于蒙脱土具有超强的吸水性，吸水后体积又变得很大，所以又叫做膨润土。‘砌砖’的过程很简单，将一块表面处理后的石英基板先浸泡在聚乙醇的水溶液中吸附上一层聚乙醇，然后提出来再浸渍在蒙脱土的水溶液中，由于聚乙醇和蒙脱土之间是通过氢键以及空间位置缠绕作用，这样就可以实现蒙脱土这个纳米砖头吸附在聚合物上。重复这个‘砌砖’过程，科学家们就获得这种新型的多层复合材料。力学性质评估发现用这种新型工艺获得的复合材料拉伸强度（单位截面薄膜被拉断时所需要的力量）比原始聚乙醇材料增加近10倍，拉伸模量（拉伸模量是指在单位面积上拉伸单位长度所需要的拉力，模量越大，说明材料刚性越大。）更是提高了近100倍。2002年Kotov教授研究小组在《自然。材料》刊物上就报道过用同样的方法制成碳纳米管的复合薄膜，力学性质也有很大增强。说起来思路极为简单，就是利用碳纳米管表面带的负电荷和聚合物电解质表面上带的正电荷相互作用，然后用提拉或者旋涂工艺交替制成厚膜。这个手动涂拉的办法太原始，也可以用机器人来做。我琢磨用喷墨打印技术是不是可以很好地进行LBL，这样工艺就可控，材料规模化也有希望了。这种高强度、多功能、轻薄的复合材料在太空材料应用中将发挥重大的作用，如做太空飞行器隔热层，通讯电线涂覆层等。

这种技术不仅对于复合薄膜材料力学方面有显著的提高，并且在能源器件和微电子上也有独特的应用。在微电子应用上面，我们知道计算机中每一个运算和存储单元都是通过控制二氧化硅门电极的导通和绝缘两个状态来实现的。但是现在如果要继续增加这些逻辑门开关密度时，原来使用的二氧化硅材料就会因为隧穿作用而击穿失效，显然找到一种具有高电容量和耐电击穿性能的替代材料是未来计算机发展的当务之急。日本物质材料研究所的佐佐木教授等人研究惊奇地发现采用简单的‘砌砖’方法组装得到的只有10纳米厚度的氧化钛纳米薄膜具有非常高的介电常数，达到125，并且漏电流密度非常低。由于‘砌砖’方法比传统半导体硅技术简单，所以对未来半导体技术的发展有重要的意义，未来计算机的存储和运算速度也将有极大的提高。就在同一个研究所，高田教授领导的小组最近利用喷雾的方法把几个纳米厚度的氧化物纳米片涂覆在固态锂电池材料上，结果发现器件充放电能力得到极大改善，电容量可以和商业液态电解质锂电池相媲美。我们日常使用的都是液态锂离子电池，但是在高电流密度的使用情况下，液态锂离子电池不安全，容易发生泄露和爆炸，固态锂离子电池虽然可以很好的弥补这些不足，但是目前由于电极和固态电解质之间容易形成空间电荷层，所以电容量离实用要求还比较低。而通过‘砌砖’技术 在固态锂电池电极上涂覆上的钛酸锂纳米薄膜可以有效地阻碍固态电解质和电极材料之间锂离子的扩散，从而削弱了空间电荷层。未来的电动汽车就可以使用这项技术实现社会交通工具的绿色环保。

自然界也有很多LBL的例子，如贝壳就是典型层状材料，还有珍珠！。生物体就是奇妙，交替地分泌出有机物和无机质，形成了有序结构的生物材料。有个专门的研究方向叫做生物矿化（biomineralization），就是科学家希望从自然生长的各种有序结构中获得灵感制备新型的纳米结构材料。

取法自然，也是材料学家们努力做的事情呢！

 

蒙脱土分子结构图

每层蒙脱土分子结构是有铝（黑球）氧（红球）八面体和硅（蓝球）氧四面体组成，层之间可以容纳阳离子和水。猫砂材料是中间插入钙离子的蒙脱土。

感谢李保文博士提供分子结构图。

感谢许晓熊博士给予文章中的建议。

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