经过二十多年的研究,纳米科技在单个纳米材料的可控制备上已取得了巨大的进步。然而,这些纳米材料在医学诊断、药物输运、传感器、电子器件等关键领域的广泛应用依然没有取得突破性进展。在这些应用中,绝大部分不仅需要单个纳米颗粒的功能,而且还需要它们组装成特定结构后所产生的新功能。因此,发展有效、可靠的组装方法,实现纳米结构单元组装体的可控制备,是当今纳米科技一个重要研究方向。目前,采用自组装途径,纳米结构单元可在动力学、热力学稳定因素的驱动下自发迁移和调整实现组装。但这种自组装方法难以实现宏观尺度、结构复杂的纳米组装体的构筑。相比而言,利用预定结构和尺寸的模板去指引纳米结构单元的组装,可以更有效的调控纳米组装体的结构、组分和尺度,最终得到具有预定性质、功能和尺度的纳米组装体。本论文着眼于这一点,综述了近20年来模板法制备纳米结构单元组装体的研究进展,并介绍了纳米组装体在多个领域的应用情况。虽然纳米组装体的模板法制备在过去十年里已取得了快速发展,但纳米结构单元组装体作为材料设计和制备的新技术,必须要能在当前的加工技术和设备条件下实现规模化生产,而这正是当前模板法制备纳米组装体的一个难点。因此,我们还需简化组装流程,采用廉价易得的模板材料,开发纳米组装体的宏量制备技术,最终实现纳米组装体的实际应用。本论文着眼于这一点,我们采用简单的浸涂方法,以商业海绵作为模板指引纳米结构单元的三维宏观组装,制备出一系列可在柔性电子器件、压力传感器、能量存储器件、油/水分离、污水净化等领域具有广泛应用前景的三维宏观纳米结构单元组装体。本论文所取得的主要研究成果如下：1.以廉价易得的商业海绵作为宏观三维框架模板,通过简单的纳米浆料浸涂手段,使银纳米线(AgNWs)在海绵框架模板的指引下,形成具有双重网络结构的AgNWs三维宏观组装体,这种具有双重网络结构的/AgNWs组装体不仅拥有良好的导电性,而且其电阻还能在伸缩变形下保持稳定,使其在弹性导体和可拉伸电池等柔性可伸缩变形电子器件领域具有潜在的应用前景。海绵框架上的AgNWs网络可以通过热焊接和原位化学反应,转化成可耐水冲刷的三维Ag/AgCl蔓合纳米线网络。Ag/AgC1复合纳米材料是一种高效的可见光催化剂,同二维Ag/AgCl纳米复合薄膜相比,具有三维网络结构的Ag/AgCl催化剂暴露出更多的表面,并且可通过增加扰流提高催化传质效率。在太阳光下,该三维Ag/AgCl复合纳米线网络在限流光反应器中可以快速降解水体中的甲基橙染料。受双网络结构设计提高银纳米线抗变形能力的启发,再次以商业弹力线为模板,采用纳米浆料浸渍法,制备出具有三维螺旋网络结构的AgNWs宏观组装体,该AgNWs组装体具有更好的导电性和抗变形能力。以该AgNWs组装体作为弹性导体,制备出了可同时检测压缩应力、拉伸应力、和弯曲应力的可拉伸电子织布。这种织布在生理信号检测、肢体运动监控、手术电子手套、人造电子皮肤等领域具有潜在的应用前景。2.采用纳米浆料浸涂工艺,以商用聚合物海绵为模板指引氧化石墨烯(GO)的三维组装,我们制备出具有微米级互通孔洞结构的三维GO宏观组装体,经HI酸还原后可得相应的还原石墨烯(RGO)三维宏观组装体。其互通的微米级孔洞结构有利于RGO组装体的后功能化,通过简单的溶液浸泡步骤,即可将Mn02纳米片均匀地负载到RGO的表面上。所得的RGO-MnO2复合材料集双层电容和赝电容为一体,具有较高的能量密度和功率密度,是良好的超级电容器电极材料。该RGO组装体在压缩形变下,RGO网络会发生扭曲并相互接触,从而降低RGO组装体的电阻。由于海绵模板具良好的弹性,该RGO组装体可恢复原来的形状和电阻。这种压阻效应使RGO组装体能够用于压力传感器。通过RGO网路部分断裂处理后,该RGO组装体对压力传感的灵敏度得到大幅提高。这种具有断裂微结构RGO宏观组装体成本低廉,可宏量制备,在柔性电子皮肤领域具有潜在的应用前景。3.以商业聚合物海绵为模板,通过纳米浆料浸渍过程,将疏水二氧化硅纳米颗粒(SiO2 NPs)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶的混合物包覆到海绵的骨架表面上,制备出多孔疏水亲油性材料。PDMS降低了海绵表面的表面能,而SiO2 NPs增加了海绵表面的粗糙度。海绵表面包覆上这种具有多级粗糙结构的低表面能涂层后,很难被水润湿,但能快速吸附有机溶剂和油品。在该海绵的内部施加吸力时,油-水界面和油-空气界面会自发的调控,阻止水和空气渗入到海绵的孔隙中,而只有浮油可以进入海绵内部。基于该界面自控机理,将修饰后的海绵同自吸泵通过管路连接,制备出可连续、快速、高效的清理和收集水面浮油的装置。通过这一设计,吸油材料的吸附容量不再受限于自身的体积和重量,并且,油／水分离和浮油回收可以同时实现。这种基于界面自控的浮油收集装置为应对海上石油泄漏和陆地危险化学品泄漏提供了一种新的处理方案。