从模板到模块：纳米乳液模块化组装如何重塑功能介孔纳米材料的构筑范式
介孔材料因其高比表面积、可调孔径和多样化组成，在能源存储、催化、传感和生物医学等领域展现出重要应用潜力。然而，如何在纳米尺度上同时实现孔结构、形貌和组成的精准可控，始终是该领域面临的核心挑战。传统硬模板和软模板方法虽然在介孔材料合成中取得了显著进展，但仍存在步骤复杂、结构灵活性不足、孔径调控范围受限以及多级结构难以构筑等问题。这些瓶颈限制了功能介孔纳米材料在复杂应用场景中的进一步发展。
针对上述挑战，香港理工大学王钻开教授联合复旦大学赵东元院士发表综述论文，系统综述了一种新兴的介孔材料构筑策略——纳米乳液模块化组装方法。该方法以稳定的纳米乳液为基本结构单元，通过模块化组装理念，实现了对介孔纳米材料孔径、结构、形貌和组成的精确调控。文章从纳米乳液的形成机制和稳定性优势出发，对比分析了其与传统模板策略的本质差异，系统总结了该方法在介孔聚合物、碳材料、二氧化硅、有机硅以及金属有机框架等体系中的代表性进展，并进一步展示了其在能源存储、催化、传感和生物医学等领域的应用潜力。最后，作者对纳米乳液模块化组装在机理解析、结构设计、材料拓展及规模化制备方面面临的挑战与机遇进行了展望。相关成果以“Nanoemulsion modular assembly for the synthesis of functional mesoporous nanomaterials”为题发表在《Nature Synthesis》上，Liang Peng, Huarong Peng, Yongjiu Yuan, Yuxin Song.为共同第一作者。
图1从整体概念层面奠定了纳米乳液模块化组装的理论基础。图中首先对比了传统硬模板和软模板策略在结构单元与组装路径上的差异。与依赖预制模板或胶束协同组装不同，纳米乳液由表面活性剂、乳化剂和前驱体共同构成稳定的核–壳结构，其中疏水乳化剂形成内核，亲水前驱体分布于外层。这种结构使得每一个纳米乳液单元在最终材料中对应一个介孔，实现了“一孔一模板”的精准映射。由于纳米乳液具有更低的吉布斯自由能，其在溶液中表现出更高的稳定性，不仅耐受稀释和搅拌，还能在温和条件下快速完成组装与固化，为后续复杂结构的构筑提供了可靠基础。
图1：纳米乳液结构与模块化组装概念
在此基础上，图2进一步揭示了纳米乳液在结构层面的高度可调控性。通过选择不同类型的表面活性剂和乳化剂，并调节其比例和用量，研究者可以在纳米尺度上连续调控纳米乳液的尺寸。更为重要的是，文章引入堆积参数理论，系统阐明了纳米乳液从球形到柱状、再到层状及反相结构的演变机制。这一理论框架不仅解释了多种介孔结构的形成原因，也为后续实现复杂介孔形貌的理性设计提供了清晰指导。
图2：纳米乳液结构调控
随着结构调控策略的成熟，图3将视角拓展至材料组成的多样化。纳米乳液模块化组装方法突破了传统软模板在组成选择上的限制，成功应用于介孔聚合物、介孔碳、介孔二氧化硅、有机硅以及金属有机框架等多种体系。通过匹配前驱体反应动力学与纳米乳液稳定性，研究者构筑了空心、多腔、不对称等复杂介孔结构。这种高度通用的组成兼容性，使纳米乳液模块化组装成为连接多种材料体系的统一构筑平台。
图3：介孔纳米材料的组成多样性
在结构精细化调控方面，图4系统展示了孔径和介孔结构的连续可调特性。随着乳化剂用量的逐步增加，材料孔径从数纳米扩展至数十纳米，同时伴随结构从致密实心向多腔、径向孔道及多壳层结构演化。这种连续、可预测的结构变化，充分体现了纳米乳液模块化组装在介孔工程方面的独特优势，也为针对不同应用需求定制孔结构提供了可能。
图4：介孔结构与孔径工程
进一步地，图5从空间维度角度总结了该方法在一维、二维和三维介孔纳米结构构筑中的能力。通过界面约束、空间限域以及各向异性组装策略，研究者成功实现了纳米线、纳米片、纳米膜以及多腔三维结构的可控构筑。这些结果表明，纳米乳液不仅是孔结构的模板，更是形貌设计中的核心反应单元。
图5：介孔纳米材料的形貌调控
在此基础上，图6展示了纳米乳液模块化组装在异质结构构筑中的潜力。通过调控界面能和组装顺序，研究者构筑了核–壳结构、Janus结构以及多级异质介孔结构，使不同功能单元在单颗粒中协同共存。这类结构为多功能催化、分级传输以及复杂生物应用提供了新的材料设计思路。
图6：异质介孔纳米材料
最后，图7系统总结了功能介孔纳米材料在实际应用中的优势表现。在能源存储领域，开放介孔结构显著提升了离子扩散效率和循环稳定性；在催化与传感领域，高比表面积和可达孔道提高了反应动力学和检测灵敏度；在生物医学应用中，多级介孔结构和不对称设计则为药物装载、控释和细胞相互作用提供了结构基础。这些应用实例清晰展示了结构可控带来的性能提升。
图7：介孔纳米材料的应用
小结
总体而言，纳米乳液模块化组装策略为功能介孔纳米材料的构筑提供了一种高度灵活且通用的新范式。通过将纳米乳液视为基本模块，该方法实现了孔结构、形貌和组成的协同调控，显著拓展了介孔材料的设计空间。未来，随着原位表征技术的进步、理论模型的完善以及规模化制备策略的成熟，纳米乳液模块化组装有望在能源、环境与生物医学等领域催生更多突破性应用。
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