不久前，南京航空航天大學航空學院教授臺國安在朋友圈發了一則消息，并在配文中寫道“吉祥中國結，迎接吉祥中國年”。
臨近新春佳節，這樣喜慶的文字十分應景，但他展示的消息卻與春節沒有半點聯系，反倒是一則十分“硬核”科技成果。
中國科學院院士、南京航空航天大學教授郭萬林，臺國安團隊聯合東京大學團隊，成功地“織”出了一種名為“磷-鋰雙螺旋納米帶”的全新材料。該成果能從根源上解決低維磷材料“嬌弱易壞”難題，并有望為高端光電、生物醫用等領域的材料創新開辟新路徑。
近日，這一成果已經發表于國際期刊《科學進展》，但它與傳統的“中國結”有著怎樣的關系？
“嬌氣”的磷基材料
當下，半導體技術的發展已經逼近了物理極限，新一代光電設備也呼喚著核心材料的突破。
“在科學領域，超細、超薄的‘低維材料’被視作突破現有信息器件性能極限的關鍵。”接受《中國科學報》采訪時，臺國安說，這類材料中，磷基材料又憑借優異的導電、發光性能，成為制作高端光電設備的“潛力股”。
然而，磷基材料有一個致命的缺點——太“嬌氣”。
“在一維或二維的納米尺度下，磷基材料只要在空氣、水甚至普通環境中暴露幾個小時，就會被氧化降解，根本無法投入實際使用。”臺國安說，這種“嬌弱”的特性，讓低維磷材料的實驗室研究與實際應用之間，長期隔著一道難以逾越的鴻溝。
為了破解這一難題，全球科研團隊嘗試過很多補救策略。
“之前的解決辦法都是給材料‘穿保護衣’，比如在外部包覆一層膜或者隔絕環境，但這些方式都治標不治本。”郭萬林介紹，這種外部防護會犧牲材料本身的優異性能，相當于“為了保命放棄了特長”。更關鍵的是，這些外部防護手段在復雜工況下極易失效，無法滿足實際應用的長期穩定性需求。
因此，如何跳出“外部防護”的思維定式，從材料本身的原子結構與空間構型入手，通過精準的結構設計，讓低維磷材料“自賦”抗腐蝕、抗降解能力？這成為了困擾全球材料學界的一大難題。
“中西合璧”的結構
“以結構促穩定”也是郭萬林團隊堅持多年的方向，但在具體的策略上，他們則采用了“原子級結構設計”的策略。
具體而言，該團隊基于理論預測，首次在實驗中成功構筑出一種由磷原子與鋰原子構成的“雙螺旋”納米帶。這種納米帶的內部結構由兩種原子交替排列而成，呈現出高度有序的左右手螺旋交替形態。
從某些角度觀察，這一結構酷似生命科學領域的DNA雙螺旋結構；但如果將納米帶從中間斷開，其橫截面的結構又酷似我國傳統的“中國結”。
“‘雙螺旋’代表了國際潮流，‘中國結’代表‘傳統文化’，在這樣一個納米級結構中，我們實現了‘中西合璧’。”臺國安笑著說。
相較于結構的特色，該材料所表現出的特性更令人驚喜。
通過電子顯微鏡等精密設備觀測，這種納米帶的“身材”纖細而規整——厚度僅3.11納米，相當于5層原子疊加；寬度能達到百納米級別，長度更是突破十微米，而且結晶度高、形態均一。
更重要的是，這種結構具有超強的穩定性，相較于傳統的黑磷納米帶在空氣中數小時內就會被氧化，這種材料在225℃的高溫空氣中仍能保持結構穩定，泡在水里30天毫無退化，甚至在強酸中浸泡1小時，其晶格依然完整。
“這種穩定性源于材料內部織就的一張穩定的‘防護網’。”臺國安解釋到，這一防護網能產生三重協同作用——原子間的電子轉移、螺旋鏈之間的相互“拉扯”固定，以及雙螺旋結構本身形成的物理屏蔽層，從而在根源上擋住了氧氣、水分的侵蝕，徹底告別了“外部保護衣”的依賴。
可供借鑒的研究范式
除了穩定性強外，這種納米帶還具備出色的光學特性。
“它的帶隙能在一定范圍內可以靈活調控，而材料的發光亮度與其帶隙能的大小直接相關，這就使得對納米帶亮度的調節像調節燈泡亮度一樣方便。”臺國安說，同時，該材料具有的優越光學響應特性，使其在偏振敏感光電探測、非線性光學轉換等領域大有可為。
值得一提的是，團隊利用該材料優異的水穩定性，成功將其與水凝膠結合，研發出集高導電、自修復、高效光熱轉換于一體的復合水凝膠。性能測試顯示，在可見光照射下，這種復合水凝膠的光熱轉換效率可高達40.4%，而且經過多次升降溫循環后性能幾乎無衰減。
“這意味著它未來可應用于光熱成像、精準溫控、光熱治療以及柔性生物電子設備等領域，為新型智能醫用材料的開發提供了創新平臺。”郭萬林說。
此外，該研究在未來也可能對于人工智能設備的芯片研發帶來影響。
臺國安告訴《中國科學報》，芯片的核心是晶體管，晶體管數量越多、尺寸越小，芯片運算速度就越快。過去幾十年，晶體管尺寸早已經從微米級縮小至納米級，這一過程的本質就是在納米尺度上操控材料的過程。
“從這個角度說，現階段談論雙螺旋納米帶材料在芯片領域的應用還為時太早，但不可否認的是，相關技術在這方面是有著一定的應用前景的。”臺國安說。
在郭萬林看來，這項成果的核心意義在于，將生命體系的“雙螺旋”結構范式引入了無機低維材料領域，并使其具有了一定的普遍應用性。
他解釋說，很多材料在宏觀尺度下有很好的穩定性，但在納米尺度或二維狀態下，其穩定性會出現斷崖式的下跌，比如某些金屬、硅材料等，而團隊提出的“以結構促穩定”設計思路，不僅解決了低維磷材料的穩定性瓶頸，也為其他易退化低維材料的研發提供了可借鑒的范式。
“目前，我們只是針對低維磷材料的穩定性進行了研究，但事實上，很多低維材料都是可以通過類似的方式提升其穩定性的。從這個角度上說，我們目前的工作僅僅只是一個開頭。”郭萬林說。