在水的边缘：液-液界面处的自组装二维材料东京 理科大学在异质层配位纳米片中形成第二层。钴离子穿过预先存在的第一层（由铁配位中心和三联吡啶配体组成），它在水和二氯甲烷之间的液-液界面形成。然后它们通过与三联吡啶配体结合组装成协调层。图片来源：东京理科大学的 Hiroshi Nishihara过去几十年见证了二维（2D）材料领域的大量研究。顾名思义，这些薄膜状材料由只有几个原子厚的层组成。二维材料的许多化学和物理特性都可以进行微调，从而在包括光电子学、催化、可再生能源等在内的许多领域具有广阔的应用前景。配位纳米片是一种特别有趣的二维材料。“配位”是指这些分子中金属离子的作用，它们充当配位中心。这些中心可以自发地创建跨越二维材料多层的有组织的分子配置。由于其良好的特性，这引起了材料科学家的注意。事实上，对于异层配位纳米片（其层具有不同原子组成的配位纳米片）可以提供什么，我们才刚刚开始触及表面。

在一项于 2022 年 6 月 13 日首次发表并登上《化学—欧洲期刊》封面的最新研究中，来自东京理科大学 (TUS) 和日本东京大学的一组科学家报告了一种非常简单的方法合成异质层配位纳米片。这些纳米片由有机配体、三联吡啶、配位铁和钴组成，它们以一种特殊的方式在两种不混溶的液体之间的界面上组装起来。该研究由 TUS 的 Hiroshi Nishihara 教授领导，还包括来自 TUS 的 Joe Komeda 先生、Kenji Takada 博士、Hiroaki Maeda 博士和 Naoya Fukui 博士的贡献。

为了合成异质层配位纳米片，该团队首先创建了液-液界面以使其能够组装。他们将三（三联吡啶）配体溶解在二氯甲烷（CH 2 Cl 2）中，这是一种不与水混合的有机液体。然后，他们将水和四氟硼酸亚铁（一种含铁化学物质）的溶液倒在 CH 2 Cl 2上。24小时后，配位纳米片的第一层，双（三联吡啶）铁（或“Fe-tpy”），在两种液体之间的界面处形成。

在此之后，他们去除了含铁的水，并用含钴的水代替了它。在接下来的几天里，双（三联吡啶）钴（或“Co-tpy”）层在液-液界面的含铁层下方形成。

该团队使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、原子力显微镜和扫描透射电子显微镜等各种先进技术对异质层进行了详细观察。他们发现 Co-tpy 层在液-液界面处的 Fe-tpy 层下方整齐地形成。此外，他们可以根据合成过程的运行时间来控制第二层的厚度。有趣的是，该团队还发现，可以通过简单地改变合成步骤的顺序来交换层的顺序。换句话说，如果他们先加入含钴溶液，然后用含铁溶液代替，合成的异质层将在顶层有钴配位中心，在底层有铁配位中心。“我们的研究结果表明，金属离子可以通过第一层从水相进入 CH 2 Cl 2相，在纳米片和 CH 2 Cl 2之间的边界与三联吡啶配体反应相，”Nishihara 教授解释说。“这是首次阐明配位纳米片在液/液界面的生长方向。

此外，该团队还研究了它们的配位纳米片的还原-氧化特性以及它们的电整流特性。他们发现异质层的行为很像二极管，与 Co-tpy 和 Fe-tpy 的电子能级一致。这些见解，加上该团队开发的简单合成程序，可以帮助设计由其他材料制成并为特定电子应用量身定制的异质层纳米片。“我们的合成方法可适用于在液-液界面合成的其他配位聚合物，”Nishihara 教授强调说。“因此，这项研究的结果将扩大分子二维材料的结构和功能多样性。”

着眼于未来，该团队将继续研究液-液界面发生的化学现象，阐明质量传递和化学反应的机制。他们的发现可以帮助扩展二维材料的设计，并有望带来更好的光电设备性能，例如太阳能电池。