纳米晶体产生各种物体的形状

纳米晶体、纳米管、纳米球的制备及应用

编者按：

纳米技术的发展日新月异。本文编译了在美国加利福尼亚大学的Berkeley 实验室中最新纳米晶体、纳米管、高聚纳米球的研究成果，以供读者参考。

第一章 纳米晶体的制备及应用

第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管

第三章 树丛状纳米球的制备及应用

第一章 纳米晶体的制备及应用

因为采纳米技术可能甚至容易制造非常完美

的纳米晶体，因而倍受建造大结构部件的亲昧。 化学家Paul Alivisato 共同负责Berkeley 实验室材料科学部和在Berkeley 的加利福尼亚大学化学系。所以说，Alivisato 在纳米半导体晶体始创领域中，是一位闪烁光芒的科学家之一。

Chemist Paul Alivisatos is a leader in the development of nano-sized crystals that could serve as building blocks for electronic devices a few billionths of a meter in size.

纳米晶体是一种由几百到上万原子结合成晶体，形成物体的聚合。这种聚合常称为“蔟”（cluster）.典型的直径10纳米晶体比分子大但比块状固体要小，因此兼有物理和化学之间的性质。纳米晶体产生全表面的虚拟而内部却没有，它的性质随晶体尺寸的成长而有相当的不同。

“通过精确控制纳米晶体尺寸和表面，能改变它们的性质，”Alivistos说，“你能改变频带隙、你能改变如何传导电荷、你能改变它归属什么样晶体结构、你甚至能改变它的熔点温度”。

生长无裂痕纳米晶体是相对容易些，因为它们的长度是如此小以致于在成长加工成所需之缺陷时简单到不需要足够的时间。然而，对同样小长度的纳米晶体，要设法控制它的体积和表面，那是惊人的挑战。在过去的十年中，Alivisatos和他的研究小组，曾制造出半导体粉末的纳米晶体，并以满足挑战的手段探索改变生长条件的各种方法。

Alivisatos 第一个大的突破之一，是他和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体，这一突破打开了许多潜在应用的大门，包括把这些球形核—壳纳米晶体作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到光子激发，就发出荧光或激发出色光，这需在共焦点的显微镜下观察。

The images above show the variety of shapes and sizes that nanocrystals can be made to assume. The rod-shaped nanocrystals to the far left can be stacked for possible use in LEDs, while the tetrapod to the far right should be handy for wiring nano-sized

devices.

“有时侯，为了全面刻划生物样品的特征，需用一群细胞作为样品，这时你需要看到标识的结合。”Alivisatos说。这种测试需要复合的色光发射，这是采用常规染料分子难以获得的发射。

Cadmium selenide nanocrystals were used to create this fluorescent microscopic image of living 3T3 fibroblast cells. These and other semiconductor nanocrystals could supplement dye-molecules as fluorescent labels for the study of biological materials.

Alivisatos和他的同事采用把半导体粉末注射进热的、象肥皂薄膜似的表面活性剂中的方法，来制造纳米晶体。在他们最近的工作中，他们曾在TOPO和HPA两种混合表面活性剂中制备晶体，每一种表面活性剂以缓慢而不同的方法和半导体粉末反应。结果使纳米生产出现真正全新的尺寸。

上一年三月，Alivisatos和他的小组发布了一条他们已经制造出两种尺寸的、形状象棒状的镉硒纳米晶体。而在这以前，他们一直全部报道象圆点球形似的纳米晶体。论述制造棒形半导体纳米晶体的能力，不仅为扭转新的潜在应用铺平道路，而且还阐明了控制晶体成长是控制形状和大小的关键。

“就是这第一次，任何人已经真正获得控制半导体纳米晶体成长的手段，”Alivisatos说，“通过控制晶体成长的动力学，我们不仅能选择晶体的大小，而且还可使晶体形状不同。”

Colored-alivisatos-rod

虽然精确的机理还不清楚，Alivisatos认为镉和硒原子与两个不同的表面活性剂之间的内部反应引起每一种分子只能朝一个方向生长，结果，保持与表面活性剂成直角的相对快速生长速率诱导晶体选择向拉长方向发展，象棒状形晶体具有晶体最大表面积。

随后的试验表明，棒型纳米晶体沿着它们的长轴方向发射偏振光，相反，早期的镉、硒球形纳米晶体则发射非偏振的荧光。不同形状的纳米晶体被广泛用于定相标记严格的生物附加标签研究中。其它的试验表明，反射和吸收能之间的间隙，棒形纳米晶体比球形纳米晶体要大。不同形状对光反射和吸收的不同特点有效地用于对光再吸收可能出现疑难的发光二极管中。

“我们还证明复合纳米棒能被包装和排列，它的另一优点是既用于LEDs又可在光电电池中使用纳米棒晶体。”

特别是最近，Alivisatos 和他的研究室已经熟练地掌握形成泪滴形、箭头形、和甚至具四杆的四角豆荚形半导体纳米晶体生长的条件和速率。而这些外来的形状没有立刻使用，它可能用于将来建造纳米晶体块。例如，当四角纳米晶体滴在表面时，它们总是用笔直的第四角着陆于三角晶体上，这对纳米电路电子设备是非常灵巧的特点。

Clored-alivisatos-tetrapod

然而，科学家首先必须学习如何把纳米晶体集成更大、更复杂的结构。被Alivisatos 和他的研究所所追寻，也即是他们的前任Berkeley 实验室研究员Peter Schultz 和Paul McEuen 首先假设的一种想法是，采用DNA作为样板骑在大自然的脊背上。

“在传感器中，我们现在已经具备制造所有‘积木块’的能力，但是我们缺少化学家来告诉我们所有这些‘积木块’应去向哪里，”Alivisatos 说，“可能是，直接用DNA把纳米晶体集成巨大复杂的随机模板。”

在熟知的DNA“旋转梯形物”中，磷酸脂和核糖分子两个系列被“环”连成具一对氮的“碱基”化合物。有四种类型的碱基——腺瞟呤（A）、胞蜜啶（C）、鸟瞟呤（G）和胸腺蜜啶（T）。A总是和T成对，G总是和C连结。Alivisatos 他的同事采用把“连结”分子附着于单一系列DNA碎片上直到100个碱基长度（约33纳米）这一高度特殊的建筑学程序，目的是要与5-10纳米金晶体交联。当这些纳米晶体/DNA共轭与包含补充DNA在共轭顺序的基础序列中混合时，这互补基础相互认识并配对成双链DNA。依据这种方法，DNA作为样板为制造纳米晶体分子服务。

Alivisatos说，“我们正在战略上使用。把DNA连结于金纳米晶体上是一个统计过程。根据判断DNA结合到纳米晶体上的速率，我们能控制每一共轭颗粒上DNA链的平均数量。”

按照尺寸大小分离和离析需采用什方法？Alivisatos和他的同事最近采用了“凝胶电泳”技术，这是一种在生物学上分离不同长度DNA碎片的标准工具。把纳米晶体/DNA共轭放入多孔凝胶槽中，在正负极电场作用下，能分离和离析附着于1~5单链DNA片段上的金纳米晶体。Alivisatos说：“由于DNA依附常能产生具有良好数量DNA链的纳米晶体/DNA共轭，所以，我们论证了颗粒迁移的转换性（在电场凝胶中）。

DNA is being used as a template for assembling

nanocrystals into macromolecules. Here

nanocrystals of gold attached to a single strand of

DNA are brought together into a desired

alignment as the DNA's double-helix is formed.

(Illustration by Meg Holm)

包含DNA 在内的信息证据能被用于半导体纳米晶体立体结构的制造，而这样一来，便可为建造块状的纳米技术创造条件。虽然这种集成迄今仍相对简单，但提示的是纳米晶体/DNA 共轭能被用制造各种尺寸和复杂的结构和设备，以便今天用于李氏照相的半导体线路板上。

“我们已经表明，我们能使用有机化学去直接集成无机晶体，”Alivisatos 说，“这是把DNA 从生物学转到材料世界的第一步。”

第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管

Alex Zettl 做出了你决不会看到的惊人设备—-至

少你需要借助于电子显微镜。Zettl ，一个共同负责

Berkely 实验室材料科学部（MSD ）和在Berkeley

的加里福尼亚大学的物理系工作的物理学家，

曾独创世界最小人

造轴承和机械开关、世界最小的室温二极管、本身具有潜在导线作用的“立方体管”（tube cube）电子管设备，从空管大分子做成的设备，其直径仅有几个纳米大小（米的负九次方）。称这样一种大分子为“纳米管”他们已经承诺为将到来的纳米时代加速许多纳米管的制造。

纳米管不仅要求全范围的电和热传导的性质，（它们传导热要比其它熟知的材料更好），而且它们要比钢高几百倍的强度，比金刚钻更耐用。它们使用于电上的潜力完全是令人惊奇的，如果把包装在半英吋立方体中的纳米管展开头尾相接，它们将伸展达到约250000里长。

Single-walled carbon nanotubes are so oxygen-sensitive that the absorption of even a few atoms of oxygen (shown in green) can change semiconducting tubes into conductors.

“最激动人心的事是我们现在在实验室里制造和研究的许多结构与我们每天的生活密切相关。从作为结构材料使用到电子材料，到化学传感器的使用”，Zettl说，“在几乎任何技术应用中，你都要想到纳米管对其产生的影响。”

纳米管是原子的两维晶体线片，它被卷曲并在卷曲的接缝处连结形成密闭的圆筒。最早的纳米管是从纯碳中制造的，天然形成一种气化碳棒烟灰残余，它们被拉伸形成粘土型或“buckyball”分子。60~70碳原为一蔟连结成六角环形石墨

网眼。第一代是“复合壁纳米管”（MWNTs）大约5~40单壁纳米管（SWNTs）——意即管表面仅由一单层碳原子组成——每一个管就象俄罗斯布娃娃一样在里边做窝。后来，当科学家开始直接制造SWNTs时，他们发现了他们能拉出非常长的纳米线而不会损失任何强度和耐用性。

一旦为纳米管展示许多潜在的应用是巨大的，最具应用价值的长期设想将是在电子学方面。原则上，纳米管与用于电子设备上的硅起相同的作用，但当硅和其它半导体处于分子水平时就会失去传导功能。Zettl和他的研究室首次论证制造纯碳的天然电子设备。

依赖于纯碳纳米管的的直径和几何结构，它能传导电流，就好象它是金属或它能起到半导体的作用，这就意味着纳米管仅传导超越临界电压的电流。按照Berkeley实验室物理学家Marvin Cohen 和Steven Lonie(见40页报道)假设的理论，两终端电子设备，例如二极管，应该在两连接且不相同管之间的界面中制造，一端起导体作用，另一端起半导体作用。借助于扫描电子显微镜（STM）的帮助，Zettl和他的研究室沿着连接碳纳米管的长度方向测试了电导率，并确认了五角—六角对的缺陷（5~7碳原子），这一缺陷让电流只沿一个方向流动，相当于起整流器二极管的作用。

Telescop-image

“我们正在看到的是世界上最小的室温整流器，它仅是少数几个原子大小的整流器，”Zettl在1997年发现时说的。

寄希望于纳米管的另一个应用热点是在微电子机械系统或叫做MEMMs系统中。MEMs的开发曾因受到用硅或以硅为基础化合物制造出的所有设备，发生磨擦损耗而受阻。去年，Zettl和他的研究室把工程定制碳MWNTs用于似乎发生摩擦的轴承和开关上，结果证明了对MEMs的巨大应用价值。随着STM内高解象透射电镜的应用，研究人员剥离MWNT的外层并原封不动地突现核心纳米管。然后，他们验证该核纳米管能被制成环绕它的外壳滑进滑出，就象油井套管

滑进滑出一样。

The controlled and reversible telescopic extension of multi-walled carbon nanotubes, as shown [above right] in both the transmission electron microscope image and the computer graphic [above], could lead to virtually frictionless nanoscale linear bearings and constant-force nanosprings.

“重复对套筒式纳米管片段作拉伸和收缩试验，并未暴露出对原子尺寸大小的磨损和疲劳。Zettl研究室的研究生Johon Cumings说，“因此，这些纳米管可构成近乎完美的无磨损表面。”

当全伸展的核管以小于100亿分之1秒钟的时间急速返回到它套筒时，使用套式纳米管是非常小且不可置疑地快速出现电子机械开关。

解释了兼而有之的功能，“因为核纳米管把电子传导给它的套壳，伸展时核心管能在金属之间架起桥梁，关闭电流，而当核纳米管收缩时，就接通电流。”

Zettl和他的研究室，随后很快和Berkeley外面的其他研究室合作，发现碳纳米管的电学性质对氧是如此敏感以致于己于暴露于空气中，能把半导体纳米管转化为金属导体。

用SWNTs作研究，研究人员研究了块状样品和单个分离管，测定了它的电导率、热电力和由温度梯度诱导的电压，在这些环境条件下，SWNTs随着从氧到真空再回到氧而逐步迁移。

“当要了解气体吸附过程时，

氧暴露的效果变得随温度而降低

（有长时间的恒定期）且更不可

逆，”Zettl说，“事实上，我们的转

换测定表明，一旦SWNTs对氧暴露，

不可能在室温下全脱氧，甚至在高

真空条件下也如此。”

纳米管并不仅仅从纯碳中制造，

任何具有形成象石墨片状样自然倾

向的化合物都是纳米管材料。最使

人感兴趣的非碳纳米管是取材于硝

化硼，它是一种与管直径和几何结

构无关的、具有统一电子带隙的化

合物。这电的一致性意味着BN纳米

管能被添加剂转化成象硅那样多的

传导率。为制造大量的BN纳米管需

要寻找确当的方法。

Zettl和他的研究室通过在充满纯氮气的反应槽中，使用在两根富硼电极之间剧烈放电的方法制造硼纳米管。这种等离子方法在产生灰色残留物和沿反应槽壁形成烟灰的状态中产生一种双壁BN纳米管。Zettl和他的研究室已经发现通过蚀刻去显出晶体的方法来制造BN …nanococoons?。再用选择的原子或分子去填充这些nanococoons，这一方法能为涉足化学和电化学工业而掌握重要的技术。

Transmission electron microscope images of

a multiwall carbon nanotube being shaped. (a)

A nanotube in its pristine form: it contains approximately 37 walls and has an outer radius of 12.6 nm. (b) A carbon onion has been inadvertently transferred to the nanotube end from the shaping electrode, but no attempt has been made to shape the nanotube. (c)(d) Results of the subsequent peeling and sharpening processes: the onion has simultaneously been displaced to a benign position down the tube axis. The shaped, or

'engineered', nanotube in (d) is thick and mechanically rigid along most of its length (not seen in the image), but tapers stepwise to

a fine sharp tip that is electrically conducting and ideal for scanning probe microscopy or electron field emission applications. The final

Physicist Alex Zettl, shown here with a model of a carbon nanotube, has made ball bearings and mechanical switches far too small to be seen without the aid of an electron microscope.

long nanotube segment contains three walls

and has an outer radius of 2.1 nm.

“对于纳米管，我们走了25年的路还没有看到事情的开始，”Zettl说“ 这是一门急待开拓的科学，纳米管应处在销售—资本的连续操作过程中。”

第三章树丛状纳米球的制备和应用

纳米技术发展的年代里，最频繁出现在科学文献的姓名之一是F rechet,他是一位化家，共同共负责Berkeley实验室材料科学部和在Berkeley的加里福尼亚大学化学系。由于开发成功纳米块，使他成为这一领域的创始人。对一组聚合大分子已潜在地提供了最精制的制造技术和实现了自然界难以寻觅的功能。这一聚合大分子被称为树枝（dendrimers）。

“大分子高聚物的性质归因于合成过程中的独特的结构和获得的功能控制，对热爱的分子能作如此多的事是多么惊奇！”Frechet说。在1989年他通过接近新型制造高聚物的介绍，犹豫而毫无经验地进入dendrimers世界。

“dendrimers”这个词来自希腊的”dendros”,意思是树和枝，树上的分枝长到一定长度后又分成两个分枝，如此重复进行，直到长得如此稠密以致于长成象球形一样的树丛。在dendrimer中，分枝是内部连结的高分子聚合键，每一个键又会

产生新键，全部会向一个焦点聚合或向一个核聚合。

在dendrimer上形成大量键端球形突起物，象毛线球上的绒毛。在合成过程中，能设计这些键端去执行特殊的化学功能，例如，键端可带电，其目的是完全发挥dendrimer的高分子电解质的功能。另一个特点，在合成过程中，也能控制dendrimer外部尺寸和内部的结构。这使得有可能创造与外部不同性质的内腔和通道，并打开dendrimer作为载体或作为受邀分子晶核的大门。在这一能力中，dendrimer除了为纳米技术建造纳米块外，还起催化作用。

“dendrimer”大分子的未来，很大程度上在于能为感兴趣的应用陈述出最佳结构的灵巧合成设计上。”Frechet说，“我们研究室不仅与设想的定向合成密切相关，而且还与学习更多有关充分利用精确的纳米尺寸、高功能和有规律的结构特点密切相关。”

Dendrimer被发现于1985年，那时候，他们产生一种叫做“发散”(divergent)合成工艺的想法，先产生一种中心核分子，再在其外面成长成密集层或产生分子“树枝”状，1989年，Frechet那时任Cornnell大学的教授，他和他的他的在职博士生同事Craig J.hawker介绍Dendrimer合成的“会聚”（convergent）方法。该方法首先产生树枝的外围（分枝的尖梢）再建造内部。内外两端树梢被吸附到单层树分枝上以形成树枝，重复这一过程直到达到要求的尺寸，然后相互连结的树分枝被吸附到核芯分子上。

This light-harvesting dendrimer performs some functions of artificial photosynthesis. White light is gathered through chain-ends that behave like antennae and funneled into a chromophore in the dendrimer's core that then emits

a single color of amplified light.

虽然“散发”合成有许多优点，但它需要经过10个甚至几百个反应同时进行才能生长成树枝状。它可能产生相似结构的树枝混合物而不是均一的最终产品。然而需采用同一数量步骤来制造树的“会聚”合成法，在成长过程的每一步仅包括两个反应，这就允许中间体纯化并产生既均一又不受其它合成聚合反应干扰的最终产品。

“我们的许多合成受到来自自然的启发，”Frechet说，“例如，我们在Dendrimer中寻求摹拟酶封闭活性点的方法，寻求混合催化点制备纳米反应器的方法。这样的Dendrimer也能发挥泵设备的功能，发挥在腔体中浓缩反应物并从腔体中放出产品的功能。”

在近期从Freshets实验室显露出许多激动人心的开发，曾设计出能执行人造光合作用早期功能的获取光的dendrimers。dendrimers整个表面布满习性象天线一样端键，通过这样的端键收集光子。然后被吸附的光子漏斗似的进入由单个发色基团组成的核芯中，这种发色基团既激发作为单色增强光的光子，又把它们转化为电能或化学能。

“能量转化是通过空间而不是通过键，”Frechet说，“它的显著的效应几乎是定量化的。这一系统更紧密地摹拟自然获取光系统的习性。它还发挥光放大器的功能。“

正在被Frechet、他的研究室成员及其他合作者探索的其它dendrimer开发领域，包括探索几种根据Dendrimer药物或基因输送方法，在信息储备或纳米电子的分子电子中运用Dendrimer。他们还为各种分离、分子识别及小型功能性化合物的应用而研究奇特的Dendrimer和其它的聚合材料。

正象Frechet最近在化学工程新期刊上所总结的那样“我们仅仅刚开始去探索Dendrimer的独特性质，在今天广泛研究的少数几个Dendrimer家系还不能从它们独特性质和异常的习性获利中提供很多应用。”

专长介绍–纤维素纳米晶体CNC的应用研究和开发

专长介绍 – 纤维素纳 米晶体 (CNC) 的应用研究和开发 艾伯塔省科技创新研究院 (AITF) 运营的纤维素纳米晶体 (CNC) 中试工厂是世界上仅有的几家能大批量生产的设施之一, 可日产几公斤高品质的 CNC 材料。 这一充满活力，有高度灵活性的中试装置具备创造和评估改性 CNC 材料的能力与专长。 创建这一耗资五百五十万加元的中试装置是加拿大和艾伯塔省两级政府与工业界 (艾伯塔太平洋森林工业公司 AlPac) 伙伴关系的合作结果，可以从多种高α- 纤维素含量的纤维原料生产CNC 。自2013 年初以来，该工厂已用硫酸盐木浆纤维（包括针，阔叶木）和溶解浆生产高品质 CNC ，用来进行各种不同应用的测试，其最终目的是为商业化生产做准备。AITF 也有能力用秸秆纤维（例如，亚麻和大麻）生产高品质的 CNC 。无论用何种原料，中试工厂都能够生产出各种形态的 CNC 成品，包括喷雾干燥粉末或各种浓度的悬浮液。 CNC 具有许多有用的特性，包括高强度，光学性能和非常大的表面积。通过中试工厂及它的玻璃衬里反应器，研究人员可以针对一系列广泛用途，动态地评估并验证从各种生物质原料得到的 CNC ，各种应用包括钻井液，采矿尾渣处理，油漆和工业涂料，汽车部件，建材，塑料和包装。 架起发现和商业之间的桥梁 提供的研发项目和服务为艾伯塔在能源与环境， 生物产业和健康等优先领域建立起具有全球竞争力的商业。 AITF 的团队提供了一套从基础科学到更技术性专长的全面技能。我们团队在木材化学，分析表证，和应用开发方面具备相当多的专业知识，并有着中试工厂运作的卓越技能。总之，这一技能，知识和经验的集合，既能确保精确与可控的项目设计，同时又能灵活和及时地交付项目。作为艾伯塔省 CNC 专业大集群的一个活跃成 员，AITF 和 CNC 中试工厂现已定位好并愿意邀请世界各地工业和科研界的潜在伙伴一起合作，为这一充满希望的新材料共同开发新的用途和市场。我们期待着与您讨论关于我们提供 CNC 样品和寻求合作伙伴关系的可能性。 创新动力来自于

半导体量子点及其应用概述_李世国答辩

科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法

纳米纤维素晶体及复合材料的研究进展_王铈汶

2013年第58卷第24期：2385~2392 https://www.wendangku.net/doc/152218039.html, https://www.wendangku.net/doc/152218039.html, 引用格式: 王铈汶, 陈雯雯, 孙佳姝, 等. 纳米纤维素晶体及复合材料的研究进展. 科学通报, 2013, 58: 2385–2392 Wang S W, Chen W W, Sun J S, et al. Recent research progress of nanocellulose crystal and its composites with polymers (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2013, 58: 2385–2392, doi: 10.1360/972012-1684 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 进展 纳米纤维素晶体及复合材料的研究进展 王铈汶①②, 陈雯雯②, 孙佳姝②, 黎国康③, 李孝红①*, 蒋兴宇②* ①西南交通大学材料科学与工程学院, 先进材料技术教育部重点实验室, 成都 610031; ②国家纳米科学中心, 中国科学院纳米生物安全性与生物效应重点实验室, 北京 100190; ③中国科学院广州化学研究所, 广州 510650 *联系人, E-mail: xhli@https://www.wendangku.net/doc/152218039.html,; xingyujiang@https://www.wendangku.net/doc/152218039.html, 2013-01-14收稿, 2013-05-06接受, 2013-07-08网络版发表 国家自然科学基金(21025520)和北京市自然科学基金(2122058)资助 摘要综述了纳米纤维素晶体(NCC)与高分子复合材料近些年发展的制备方法与潜在应用, 重点介绍了NCC与非极性高分子材料复合物在制备过程中相容性问题的解决办法及复合材 料的成型方法, 并指出无需任何表面修饰和溶剂分散、直接使用工业化的加工方法制备NCC/ 高分子复合物, 才能真正为NCC复合材料打开通往生活应用的大门. 关键词 纳米纤维素晶体 复合材料 表面修饰 相容性 生物质类材料是可再生、可生物降解且储量丰富 的绿色材料. 随着能源问题的日益严峻, 生物质类材 料越来越受到工业和科研人员的关注. 天然纤维素 是生物质的一个大类. 在我国, 最早的天然纤维素类 材料(木材和麻)的加工历史可以追溯到旧石器时代 以前. 然而, 这种宏观的纤维素类材料早已不能满足 现代人类社会对材料性能的要求. 从20世纪80年代 开始, 人们已经开始研究并掌握木材等天然纤维素 在纳米尺度的增强单元——纤维素纳米晶体(NCC)的 提取方法. 作为天然纤维素最基本的增强单元, NCC 通常呈棒状, 具有比凯芙拉纤维高的杨氏模量和比 一般陶瓷低的热膨胀系数. 因此, 近些年来利用天然 纤维素中提取的NCC制造高性能的复合材料引起了 科研人员的极大兴趣. 本文将聚焦近十年来以NCC 为第二相、高分子材料为基体的复合材料的研究进展, 重点综述复合物的界面相容性的制备及改善方法. 1 纤维素纳米晶体的制备 NCC广泛存在于植物(见图1所示)、动物和微生 物天然合成的纤维素中. 由于非晶体区域纤维素分 子排列松散, 从天然纤维素中提取、制备NCC的原 理是在酸、酶、氧化剂等的作用下, 非晶体区域优先 于晶体区域发生反应, 生成小分子而被去除, 留下纳 米尺度的纤维素晶体. 从20世纪80年代到现在, NCC的制备已经发展 出了酸解、酶解和氧化三大类方法, 其中硫酸水解是 最主流的制备方法. 值得注意的是, 不同的制备方法 得到NCC的表面性质不尽相同, 且对NCC的表面修 饰和后续应用影响较大. 如图2所示, 用浓硫酸水解 法制备NCC, 会在NCC表面留下磺酸酯基团[2], 而 盐酸水解制备的NCC表面有更多羟基. 磺酸酯基团 电离后使NCC表面带负电, 不仅有利于NCC在水溶 液中的稳定分散, 而且可以利用其表面带负电的性 质进行后续的层层自组装(LBL)、阳离子表面活性剂 或金属阳离子沉积等表面修饰. 在Fischer-Speier酯 化法中, 常使用醋酸作为水解试剂和催化剂, NCC表 面会修饰上乙酰基[3]. 随着NCC表面乙酰化程度提 高, NCC疏水性增强, 当乙酰化程度足够高时, NCC 可以很好地分散在乙酸乙酯和甲苯中, 通过这种方 法获得的NCC将能够与疏水性高分子基体有更好的 相容性. 过硫酸铵氧化法制备NCC是新近发展的一 种方法, 其优势在于用于制备NCC的原料不要求一

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念： （1）关于颗粒及颗粒度的概念 （i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 （ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。 （iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 （iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。 （2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式） 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

纳米晶体产生各种物体的形状

纳米晶体、纳米管、纳米球的制备及应用 编者按： 纳米技术的发展日新月异。本文编译了在美国加利福尼亚大学的Berkeley 实验室中最新纳米晶体、纳米管、高聚纳米球的研究成果，以供读者参考。 第一章 纳米晶体的制备及应用 第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管 第三章 树丛状纳米球的制备及应用 第一章 纳米晶体的制备及应用 因为采纳米技术可能甚至容易制造非常完美 的纳米晶体，因而倍受建造大结构部件的亲昧。 化学家Paul Alivisato 共同负责Berkeley 实验室材料科学部和在Berkeley 的加利福尼亚大学化学系。所以说，Alivisato 在纳米半导体晶体始创领域中，是一位闪烁光芒的科学家之一。

Chemist Paul Alivisatos is a leader in the development of nano-sized crystals that could serve as building blocks for electronic devices a few billionths of a meter in size. 纳米晶体是一种由几百到上万原子结合成晶体，形成物体的聚合。这种聚合常称为“蔟”（cluster）.典型的直径10纳米晶体比分子大但比块状固体要小，因此兼有物理和化学之间的性质。纳米晶体产生全表面的虚拟而内部却没有，它的性质随晶体尺寸的成长而有相当的不同。 “通过精确控制纳米晶体尺寸和表面，能改变它们的性质，”Alivistos说，“你能改变频带隙、你能改变如何传导电荷、你能改变它归属什么样晶体结构、你甚至能改变它的熔点温度”。 生长无裂痕纳米晶体是相对容易些，因为它们的长度是如此小以致于在成长加工成所需之缺陷时简单到不需要足够的时间。然而，对同样小长度的纳米晶体，要设法控制它的体积和表面，那是惊人的挑战。在过去的十年中，Alivisatos和他的研究小组，曾制造出半导体粉末的纳米晶体，并以满足挑战的手段探索改变生长条件的各种方法。 Alivisatos 第一个大的突破之一，是他和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体，这一突破打开了许多潜在应用的大门，包括把这些球形核—壳纳米晶体作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到光子激发，就发出荧光或激发出色光，这需在共焦点的显微镜下观察。

纤维素纳米纤维

纤维素纳米纤维 众所周知，植物的基本组成单位是细胞，其主要结构为纤维素纳米纤维，纤维素纳米纤维是拉伸纤维素链的半结晶纤维束。纤维素纳米纤维不仅纤细，而且纤维素分子链可以拉伸和结晶，所以其质量仅为钢铁的1/5，强度却是钢铁的5倍以上。另外，其线性热膨胀系数极小，是玻璃的1/50，而且其弹性模量在-200～200℃范围内基本保持不变。弹性模量约140GPa，强度2～3GPa。不同于石油基材料，作为生物基材料，更环保。 图1 纳米纤维素微观结构作为下一代工业材料或绿色纳米材料，目前已在全世界积极地开展有关制造和利用这种纤维素纳米纤维的研究。用木材浆粕等植物类纤维材料制造纤维素纳米纤维的各种方法相继被开发出来。在低浓度（约百分之几）下进行的浆粕纤维分解技术有高压高速搅拌方法、微射流法、水中逆流碰撞法、研磨机研磨法、冷冻粉碎法、超声波分丝法、高速搅拌法和空心颗粒粉碎法等。纤维素纳米纤维重要的特征是可以用所有的植物资源作为原料。除木材外，还可以从稻杆和麦杆等农业废弃物、废纸、甘蔗和马铃薯的榨渣，以及烧酒气体等的工业废弃物中制得直径为10～50nm的纳米纤维。如果有效利用轻薄且宽域分布的生物资源的特点，则可以制造和利用取自唾手可得资源的高性能纳

米纤维。日本等发达国家已经实现了纤维素纳米纤维的工业化生产。轻量、强度高的纤维素纳米纤维作为复合材料，可制造汽车零部件和家电产品外壳、建筑材料等；利用气体阻隔性可制造屏障薄膜；利用其透明性可制作显示器和彩色滤光器、有机EL基板、太阳能电池板等；利用耐热性可制造半导体封装材料和柔性基板、绝缘材料等；利用黏弹性能，可生产化妆品、药品、食品、伤口敷料如细胞培养基材、分离器和过滤器以及特殊功能纸张等。在石油工程领域，纳米纤维素凝胶可作为井下流体助剂，不发生体积收缩；可用于钻井液降滤失剂、页岩抑制剂、增稠剂等，改善相关流体的性能。《石油工程科技动态》所有信息编译于国外石油公司网站、发表的论文、专利等，若需转载，请注明出处！中国石化石油工程技术研究院战略规划研究所

晶体生长机理与晶体形貌的控制

晶体生长机理与晶体形貌的控制 张凯1003011020 摘要：本文综述了晶体生长与晶体形貌的基本理论和研究进展，介绍了层生长理论，分析了研究晶体宏观形貌与内部结构关系的3种主要理论，即布拉维法则、周期键链理论和负离子配位多面体生长基元理论。 关键词：晶体生长机理晶体结构晶体形貌晶体 1.引言 固态物质分为晶体和非晶体。从宏观上看，晶体都有自己独特的、呈对称性的形状。晶体在不同的方向上有不同的物理性质，如机械强度、导热性、热膨胀、导电性等，称为各向异性。晶体形态的变化，受内部结构和外部生长环境的控制。晶体形态是其成份和内部结构的外在反映，一定成份和内部结构的晶体具有一定的形态特征，因而晶体外形在一定程度上反映了其内部结构特征。今天,晶体学与晶体生长学都发展到了非常高的理论水平,虽然也不断地有一些晶体形貌方面的研究成果,但都停留在观察、测量、描述、推测生长机理的水平上。然而,在高新技术与前沿理论突飞猛进的今天,晶体形貌学必然也会受到冲击与挑战,积极地迎接挑战,与前沿科学理论技术接轨,晶体形貌学就会有新的突破,并且与历史上 一样也会对其它科学的发展做出贡献。 2．层生长理论 科塞尔(Kossel，1927)首先提出，后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。 它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键时应该是成键数目最多，释放出能量最大的位置。质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置：k为曲折面，具有三面凹人角，是最有利的生长位置；其次是S阶梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生长位置是A。由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时，先长一条行列，然后长相邻的行列。在长满一层面网后，再开始长第二层面网。晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。这就是晶体的层生长理论，用它可以解释如下的一些生长现象。 1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。 2)在晶体生长的过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常可以看到带状

纳米晶体纤维素的生产挑战及使用领域

纳米晶体纤维素的生产挑战及使用领域 纳米晶体纤维素可以从多种纤维素来源中分离出来，下面是搜集的一篇关于纳米晶体纤维素提取应用探究的，欢迎阅读参考。 众所周知，纤维素是可再生的聚合物资源，被认为是一种取之不尽用之不竭的原料，从纤维素中提取出的纳米晶体纤维素(nanocrystallinecel-lulose,NCC)是最丰富的生物聚合物，也是最有潜力的材料。 分离提取NCC需要经过两个阶段。第一阶段是原材料的预处理，即对木材和植物(包 含基质材料---半纤维素、木质素等)的完全或部分分离以及分离有纤维质的纤维。第二阶 段是受控制的化学处理，通常水解作用除去纤维素聚合物的无定型区。本文概述了NCC 的提取方法及过程，并分析了生产NCC所面临的挑战和NCC的应用范围及领域，以期为NCC的相关研究提供参考。 1、纳米晶体纤维素的提取 纳米晶体纤维素(NCC)可以从多种纤维素来源中分离出来，包括植物、动物(被囊)、 细菌和藻类等。NCC几乎可以从任何纤维素材料中萃取出来，在实践过程中，研究人员 倾向于从木材、植物和一些相对较纯的纤维素如微晶纤维素(mi-crocrystallinecellulose,MCC)或漂白的牛皮纸浆等原料中提取。木材因其天然丰度、广泛 的利用度和高含量的纤维素而成为纤维素的主要来源。 由于上述几种原料易得到，可以保证实验室提取出NCC的纯度[1],还可以从MCC、 滤纸或相关产品中精制出NCC.此外，被囊动物的长度和高结晶度[2]使其成为备受青睐的NCC来源，虽然它的广泛使用受到高成本收割和有限利用率的限制。 1.1木质纤维素生物质的预处理 木材和植物等原料的预处理过程相似，采用的是在纸浆和造纸工业中通常使用的技术。在实践中，木质素阻碍木材分离成纤维，所以木质素脱离是生成NCC的必要步骤。例如Siquera等[3]和Smook等[4]描述了制浆和漂白过程，主要是由化学处理(制浆)的生物质 先切取解聚，并最终溶解木质素和半纤维素，之后用氧化剂(如氧气或NaClO2氧化)漂白。 蒸汽爆炸过程是另一个有效的预处理方法，用于将木质类生物质转化，最终达到分离纳米纤维的目的[5,6].在过去的二十年里，蒸汽爆炸的预处理技术一直是研究热点，特别 是因为其得到的原料更适合用于酶水解[7].在此过程中，生物质样品首先磨碎，然后在 200~270℃的温度下、14×105~16×105Pa的压力下进行短时间(20s~20min)的高压蒸汽 处理。打开蒸煮器后压力迅速下降，材料暴露于正常的大气压下引起爆炸导致木质纤维素

量子点的制备方法

量子点的制备方法综述及展望 来源:https://www.wendangku.net/doc/152218039.html, 1．前言 在最近的几十年里，量子点（QDs）即半导体纳米晶体（NCs）由于具有独特的电子和发光性质以及量子点在生物标记,发光二极管，激光和太阳能电池等领域的应用成为大家关注的焦点。中国硕士论文网提供大量免费英语论文。 量子点尺寸大约为1-10 纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。1998 年 , Alivisatos和 Nie 两个研究小组首次解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题, 他们利用MPA 将量子点从氯仿转移到水溶液，标志着量子点的生物应用的时代的到来。目前，量子点最引人瞩目的的应用领域之一就是在生物体系中做荧光探针。 与传统的有机染料相比，量子点具有无法比拟的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。 由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。硕士网为你提供计算机硕士论文。 量子点集中以上诸多优点是十分难得的，因此这就要求我们制备出宽吸收带，窄且对称的发射峰，高的量子产率稳定和良好生物兼容性的稳定量子点。 现在用作荧光探针的量子点主要有单核量子点（CdSe，CdTe，CdS）和核壳式量子点（CdSe/ZnS[39], CdSe/ZnSe[40]）。量子点的制备方法主要分为在水相体系中合成和在有机相体系中合成。 本文主要以制备量子点的结构及合成方法为主线分为两部分：第一部分综述了近十几年量子点在有机相中的制备方法的演变历程，重点包括前体的选择，操作条件和合成量子点结构。第二部分介绍了近十几年量子点在水相中制备方法的改进历程，重点包括保护剂的选择及水热法及微波辅助法合成方法。 2．在有机体系中制备在有机相中制备量子点主要采用有机金属法，有机金属法是在高沸点的有机溶剂中利用前躯体热解制备量子点的方法，即将有机金属前躯体溶液注射进250～300℃的配体溶液中，前躯体在高温条件下迅速热解并成核，晶核缓慢生长成为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻滞晶核生长，并稳定存在于溶剂中。配体所采用的前躯体主要为烷基金属（如二甲基隔）和烷基非金属（如二-三甲基硅烷基硒）化合物，主配体为三辛基氧化膦（TOPO），溶剂兼次配体为三辛基膦（TOP）。这种方法制备量子点，具有

纳米纤维素晶体

南京林业大学 课程设计报告 题目：纤维素纳米晶的制备与性能 学院：理学院 专业：材料化学 学号：101103227 学生姓名：朱一帆 指导教师：郭斌 职称：副教授 二0一三年十二月三十日

摘要 纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一，不仅是植物纤维原料主要的化学成分，也是纸浆和纸张最主要、最基本的化学成分。由于其天然性和生物可降解性，在现在能源缺乏的时代，纤维素有很大的发展空间。纳米纤维素是直径小于100nm 的超微细纤维，也是纤维素的最小物理结构单元元；与非纳米纤维素相比，纳米纤维素具有许多优良特性，如高结晶度、高纯度、高杨氏模量、高强度、高亲水性、超精细结构和高透明性等，加之具有天然纤维素轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，其在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、电子产品、医学等领域有巨大的潜在应用前景。 本文介绍了纳米纤维素晶体(NCC)及其一些制备方法、性质、研究现状和应用，展望了NCC作为一种纳米材料的美好前景，是21世纪可持续发展研究的重要课题。 关键词：纳米纤维素晶体；制备方法；性质；应用

Abstract Cellulose is one of the nature's most abundant natural polymers，not only the main chemical components of the plant fiber materials , pulp and paper but also the most important and basic chemical composition of the pulp and paper. Due to its natural and biodegradable cellulose has much room for development in the era of the lack of energy. Nano-cellulose is ultra-fine fibers of less than 100 nm in diameter, the smallest physical structure of the cellulose unit Dollar；compared with non-nano-cellulose, nano-cellulose has many excellent characteristics such as high crystallinity, high purity, high Young's modulus, high strength, high hydrophilicity, the hyperfine structure, and high transparency, https://www.wendangku.net/doc/152218039.html,bined with the characteristics of natural cellulose lightweight, biodegradable, biocompatible and renewable, so it has huge potential applications in the field of paper, construction, automotive, food, cosmetics, electronic products and medical. This article describes what's the NCC and some preparation methods, nature, current research and applications. And looking up theNCC as a prospect of a better future nanomaterials. This research is an important issue for sustainable development in the 21st century. Key words: Nanocrystallinecellulose; preparation methods; properties;applications

金属纳米微粒晶体结构的稳定性及其结合能

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５４８中固有色金属学报２００９年３月降低，随着微粒尺寸的增加趋近于块体结合能。 ２）在一定形状下，在一定的临界尺寸时纳米微粒 ｂｃｃ结构的结合能和ｆｅｅ结构的结合能相等。当微粒尺 寸大于该临界尺寸时，ｂｅｅ结构更稳定，小于该尺寸 时，ｆｅｅ结构更稳定。 ３）球形和正四面体形可以看作近正多面体形的 两个极限，多面体形微粒发生结构转变的临界尺寸也 介于两个极限尺寸之间，这和ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、 Ｗ和Ｆｅ元素纳米微粒在文献中报道的结果一致。 ＲＥＦＥＲＥＮＣＥＳ 【２］【３】【４】［５】【６】【７】【８】【９】９ＣＨＡＴＴＯＰＡＤＨＹＡＹＰＰ＇ＰＡＢＩＳＫ．ＭＡＮＮＡＩ．Ａｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ａｌｌｏｔｒｏｐｉｃｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎＮｂｉｎｄｕｃｅｄｂｙ ｐｌａｎｅｔａｒｙｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇＡ，２００１．３０４／３０６：４２４－４２８． ＭＡＮＮＡＩ。ＣＨＡＴＴＯＰ＿ＡＤＨＹＡＹＰＰ’ＢＡＮＨＡＲＴＦ＇ＦＥＣＨＴＨＪ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆａｃｅ－－ｃｅｎｔｅｒｅｄ—?ｃｕｂｉｃｚｉｒｃｏｎｉｕｍｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｔｔｒｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００２，８１（２２）：４１３６—４１３８． ＫＩＴ八ＫＡＭＩＯ．ＳＡＴＯＨ．ＳＨＩⅣ【ＡＤＡＹ．Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅｏｆｃｏｂａｌｔｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９７， ５６（２１１：１３８４９—１３８５４． ＨＡＮＥＤＡｋＺＨＯＵＺＸ，ＭＯＲ刚ＳＨＡＨ．Ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｌｅｎａｎｏｍｅｔｅｒ－ｓｉｚｅｆｃｃ—Ｆｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｎｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒｄｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９２，４６（２１）：１３８３２—１３８３７． ＨＵＨＳＨ，ＫＩＭＨＫ．ＰＡＲＫＪＷ．ＬＥＥＧＨ．Ｃｒｉｔｉｃａｌｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅ ｏｆｍｅｔａｌｌｉｃＣｒａｎｄＭｏｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，２０００， ６２（４）：２９３７—２９４３． ＴＥＳＳＩＥＲ凡ＢＲＥＮＮＥＣＫＥＦ，ＳＴＡＤＴＨＥＲＲＡ．Ｒｅｌｉａｂｌｅｐｈａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒｅｘｃｅｓｓＧｉｂｂｓｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５：１ ７８５—１７９６． ＭＥＮＧＱ。ｚＨＯＵＮ，ＲＯＮＧＹ，ＣＨＥＮＳ，ＨＳＵＴＹｘｕＺｕ－ｙａｏ． Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ００ｔｈｅＦｅｎａｎｏｅｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００２．５０：４５６３—４５７０． ＱＩＷＨ．Ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙ ａｎｄｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ ＣｏｍｒａｔｍｉｃａｔｉＯＩｌＳ，２００６，ｌ３７：５３６－－５３９． ＴｏＭＡ７ＮＥＫＤ，ＭＩⅨＨＥｌｕＥＥＳ。ＢＥＮＮＥＲＭＡＮＮＫＨ－ 【ｌＯ】 【１２］ 【１３】 【１４】 Ｓｉｍｐｌｅｔｈｅｏｒｙｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄａｔｏｍｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｍａｌｌ ｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９８３，２８（２）：６６５－６７３． ＳＵＮＣＱ，ＷＡＮＧＹＴＡＹＢｋＬＩＳ，ＨＵＡＮＧＨ，ＺＨＡＮＧＹ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆａｎａｎｏｓｏｌｉｄａｎｄｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆａｓｕｒｆａｃｅａｔｏｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ＣｈｅｍｉｃａｌＢ，２００２，１０６（４１）：１０７０１—１０７０５． ．ＲＡＮＧＱ，ＬＩＪＣ，ＣＨＩＢＱ．Ｓｉｚｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓｌ捌［１ｃｔ２００２，３６６（５／６）： ５５ｌ－５５４． ＮＡＮＤＡＫＩ（，ＳＡＨＵＳＮ．ＢＥＨＥＲＡＳＮ．Ｌｉｑｕｉｄ?ｄｒｏｐｍｏｄｅｌ ｆｏｒｔｈｅｓｉｚｅ?ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇｏｆｌｏｗ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｙｓｔｅｍｓ［ｊ］． ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＡ，２００２，６６（１）：０１３２０８－０１３２０９． ＱＩＷＨ，ＷＡＮＧＭＰ＇ＸＵＧＹＴｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅｔｔｅｒ，２００３，３７６（３／４）：５３８—５３８． ⅪＭＨＫ，ＨＵＨＳＨ，ＰＡＲＫＪＷＴｈｅｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ ｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｂｏｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍａｎｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，２００２，３５４（１／２）： １６５－１７２． Ｑ１ｗＨ，ＷＡＮＧＭＰＳｉｚｅａｎｄｓｈａｐｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ。２００４，８８（２／３）：２８０—２８４． ＮＡＨＥＲＵ。ＢＪＲＮＨＯＬＭＳ，ＦＲＡＵＥＮＤＯＲＦＳ，ＧＡＲＣＩＡＳＦ＇ ＧＵＥＴＦ．Ｆｉｓｓｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｐｏｒｔｓ，１９９７， ２８５（６）：２４５－３２０． ｝兀兀ＴＧＲＥＮＲＤＥＳＡＩＤＰＤ，ＨＡＷＫＩＮＳＴ＇ＧＬＥＩＳＥＲＭ， ＫＥＬＬＹＫＫ，ＷＡＧＭＡＮＫＫ．Ｅｌｅｃｔｅｄｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｍ］．Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ： ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｔａｌｓ，１９７３． ＰＥＴＴＩＦＯＲＤＧＴｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌＰｈｙｓｉｃｓＣ，ｌ９７０，３：３６７—３７７． 张邦维，胡望宇，舒小林．嵌入原子方法理论及其在材料科 学中的应用【Ｍ】．长沙：湖南大学出版社，２００２：２４９－２６０． ＺＨＡＮＧ Ｂａｎｇ?ｗｅｉ，ＨＵＷａｎｇ—ｙｕ，ＳＨＵＸｉａｏ—ｌｉｎ．Ｔｈｅｏｒｙｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄａｔｏｍｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔＯｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］． Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２：２４９—２６０． （编辑龙?际中） 珂 ｑ 刀 明 卅 【 　万方数据

纳米晶体

纳米晶体 摘要：本文主要介绍了金属纳米晶体、金属氧化物纳米晶体和一些其他纳米晶体的合成方法，并对它们的性能做了些简单的介绍。纳米晶体有许多独特优异的性能，本文对相关的纳米晶体的应用也进行了介绍，随着纳米晶体制备技术的发展，纳米晶体的应用会更加广泛。 关键词：纳米晶体；金属；金属氧化物 0引言 纳米材料是指组分尺寸至少在某一个维度上介于1～100nm之间的材料。纳米材料就其结构上可以分为纳米晶体、纳米颗粒、纳米粉末、纳米管等。由于纳米材料的纳米尺寸效应，使得纳米材料出现了许多不同于常规条件下的材料性能，例如光学性、电导性、抗腐蚀性等，因此人们对纳米材料在未来材料领域的应用与发展寄予了很大期望。但由于纳米材料在结构上存在表面效应和小尺寸效应，使其能量高于平衡态，表面上原子数增多，具有较高的表面能，使得这些表面原子具有较高的活性，非常不稳定，满足一定激活条件时，就会释放出过剩自由能，粒子长大，从而也将失去纳米材料所具有的特性，使块状纳米材料的制备产生困难。而纳米晶体由于晶界数量增加，使材料的强度、密度、韧性等性能大为改善。 纳米晶体指的具有纳米尺度的晶体材料。本文将分类介绍有关纳米晶体在制备、性能、应用等方面的研究进展。 1金属纳米晶体 同传统的金属晶体相比，金属纳米晶体材料由金属纳米晶粒构成,其晶粒尺寸很小( < 100 nm) ,晶界比例很大(30% ～50% ) ,晶体的缺陷密度很高,因此它所表现出来的性能,尤其是对结构敏感的性能与粗晶材料有很大差别。 刘伟[1]等用纯度为99.8%的紫铜丝作为原料，采用自悬浮定向流技术制备出金属Cu纳米粉末，制得平均晶粒尺寸为25 nm的金属Cu纳米晶体材料，其显微硬度为1155～1190GPa,约为普通粗晶Cu材料的3～4倍,硬度随压制工艺而变化，压力增大，保压时间延长,硬度增大. 且样品硬度值受表面抛光的影响。 李才臣[2]等以工业纯铝粉为原料，采用高能球磨法制备了纯铝纳米晶体并对其硬度进行了分析，经实验发现，球磨12 小时后可得平均晶粒尺寸约34nm, 而且此时的硬度最高，可达111HV, 纯铝纳米晶的硬度随着球磨时间的延长先升高后降低，随温度的增加先升高后下降。 对于金属纳米晶体的研究不仅局限在制备方法和显微硬度方面，对于纳米晶体的生长形态和结构稳定性方面也有相关的研究。 张吉晔[3]等对Ag纳米晶体的生长形态进行了相关的研究。他们在利用电化学方法在ITO 基板上沉积出银纳米晶体，然后研究了ITO基板上的沉积电位对Ag纳米晶体生长形态的影响。如图1所示，(a)和(b)中的银纳米粒子具有良好的分散性，粒径较均匀，此时沉积电位为0.3 V 时，粒子的分布密度较小。在(c)中，晶体形貌具有显著的羽毛状形态。(d)中银纳米晶体

对纳米纤维素的制备自己的一点想法

加之以前对纳米纤维素的了解和最近看的有关纳米纤维素制备的资料。对于目前纳米纤维素的制备无非就是化学、生物合成、机械物理、人工合成等方法。但是这几种方法的缺陷又使得纳米纤维素的制备在工业化量产过程中又遇到了瓶颈问题。像以强酸处理为代表的的化学方法，反应设备要求高、回收和处理残留物困难，酸量大，产率低；而生物合成方法，所使用的细菌不受控制，耗时长，成本高，价格高；机械物理方法，能耗比较高，制得纤维素尺寸基本不够纳米级别；人工合成好像正好相反，合成的纤维素晶体颗粒又太小。综合以上几种方法可以看出，现在所采用的纳米纤维素制备方法基本都是‘杀敌一千，自损八百’的状态。如何找到一种高效率制得纳米纤维素的方法，又能把制备纤维素成本降到可以转化为工业生产，这样才能真正的推动纳米纤维素与化学、物理学、生物学及仿生学交叉结合产业的发展。 既然几种单一的方法不能高纯度的制备纳米纤维素，为何不换一种思路，两种方法结合起来制备是否效果会更好？根据木材纤维细胞的微细纤维的微细结构分析，原细纤维与原细纤维之间是聚糖通过分子间的作用相连接。所以要实现对原细纤维的分离可先对聚糖与原细纤维的链接部位用定向同位素或者荧光标记元素（是什么化学元素不知道，待以后去探知。假设存在）对其进行标记以得到定位的目的；接下来用可以识别标记同位素或荧光标记元素的定向靶向分子或者射线分子（是什么分子或者射线分子不知道，待以后探知。假设存在）对其进行定向爆破，达到对原细纤维定向剥离的目的。然后再机械分

离理论上就可得到纯度极高的纳米纤维素。 靶向分子定向爆破法步骤 定向标记后的模型 微细纤维微细结构模型 靶向分子定向爆破模型 对原细纤维与聚糖链 接部位进行标记 靶向分子定向爆破 原细纤维剥离

纳米氧化铁、半导体量子点及其复合粒子的制备与性能研究

纳米氧化铁、半导体量子点及其复合粒子的制备与性能研究【摘要】：随着纳米科学的不断发展,各种新型纳米材料和制备手段不断涌现,材料的性能不断提高。随着对纳米材料研究的不断深入,纳米材料逐步走向多功能化。多功能的纳米材料不仅具有多样化的性能,更有强大的应用潜力。于此同时,纳米科学正在经历着产业化的发展阶段,开发符合产业化要求的纳米材料也是当今纳米材料制备所面临的一个重大挑战,为此科学工作者们正在不断努力,使纳米材料这门新兴科技产业更多的融入到人们的日常生活。为了开发具有高性能、多功能及实用性的纳米材料,本文选择在诸多领域有着广泛应用的且具有许多奇特性能的氧化铁和半导体量子点为题材,通过一些比较简单环保的方法来获得高性能、构造奇特的氧化铁纳米颗粒、半导体量子点及其复合物。通过X射线衍射分析(XRD)、穆斯堡尔谱仪、差热热重(TDA-TGA)、电子色散能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、振动样品磁强计(VSM)、紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计、红外可见光谱(FT-IR)、比表面积分析仪(BET)等多种分析测试手段,对合成的产物进行结构、成分、形貌、磁性能、光性能以及多孔材料的比表面积和孔径分布进行了表征和分析。通过研究表征结果,得出了如下主要结论：1、在空气气氛和室温的条件下,通过高能球磨a-FeOOH制得了平均粒径为18nm的a-Fe203。通过穆斯堡尔谱、XRD及TGA-TDA等表征手段对球磨过程中α-FeOOH到α-Fe2O3的转变过程进行分析,得出的球磨机理为：a-FeOOH原料粉末在球磨的

撞击过程中颗粒逐渐减小,经过球磨一段时间后其尺度小到使其变为超顺磁性的小颗粒,这些超顺磁的a-FeOOH小颗粒又在球磨过程中脱水生成了α-Fe203颗粒。2、通过在聚乙二醇4000(PEG4000)存在的条件下,热分解乙酰丙酮化铁制得了直径在100nm到200nm的Fe304多孔纳米球。这种纳米球是由直径8nm左右的Fe304纳米粒子组装而成,其比表面积达到87.5m2/g,多数孔径小于4nm。Fe304多孔纳米球的饱和磁化强度达到56.4emu/g；磁测量和穆斯堡尔谱测量结果表明产物表现出超顺磁性。实验表面PEG的浓度和聚合度对产物形貌有很大影响,并得出介孔Fe304多孔纳米球的形成机理是：在足够高的PEG4000浓度下,PEG4000分子间因交联作用相互缠绕而形成网络,使得处于网络内的Fe304纳米粒子也随之组装起来,最后形成了具有多孔结构的产物。3、通过改变CdSe量子点的保存条件来研究其荧光性能的变化,发现在有光照的条件下,CdSe量子点的荧光强度显著增强,量子产率在保存期间持续增强,在保存了44天后量子产率达到36.6%。XRD和pH值的测量结果推断,CdSe量子点表面发生的光诱导的分解作用以及溶解于样品溶液中的02在量子点表面发生的反应,消除了CdSe量子点表面的部分缺陷,是量子点的荧光产率提高的主要原因。CdSe量子点的量子产率增强的过程可以用一个延展的指数函数来拟合,拟合的结果与实验现象基本相符,说明CdSe量子点量子产率的增强动力学可能是CdSe量子点表面分阶段的变化的过程。4、通过原位复合制得了CdS/α-Fe2O3复合纳米粒子,TEM表征表明α-Fe2O3纳米粒子的粒径为50nm左右,复合样品中附着于α-Fe2O3纳

纳米材料的形貌控制.(DOC)

纳米材料的形貌控制 1 概述 纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm)，或由纳米尺度结构单元构成的材料。随着纳米材料尺寸的降低，其表面的晶体结构和电子结构发生了变化，产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应，从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域，是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质，它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1]，表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。 1.1 纳米材料的特性 1.1.1 量子尺寸效应 当粒子的尺寸下降到某一临界值时，其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，称为纳米材料的量子尺寸效应。当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。 1.1.2 小尺寸效应 当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小，从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化：如熔点降低；磁有序向磁无序态，超导相向正常相的转变；光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；声子谱发生

改变等，这种现象称为小尺寸效应。纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。 1.1.3 表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。随着材料尺寸的减小，比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。例如，当颗粒的粒径为10 nm时，表面原子数为晶粒原子总数的20%，而当粒径为l nm时，表面原子百分数增大到99%。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合以降低表面能，故具有很高的化学活性。这种表面原子的活性不但能引起纳米粒子表面输运和构型的变化，也会引起电子能级和电子自旋构象的变化，从而对纳米材料的电学、光学、光化学及非线性光学性质等产生重要影响。通过利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性，可以得到超亲水和超疏水等性能可调的纳米材料，可以广泛的应用于民用工业。 1.1.4 宏观量子隧道效应 量子物理中把微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来的研究发现一些宏观量，如超微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而发生变化。故称为宏观量子隧道效应。对宏观量子隧道效应的研究对基础及应用研究都有着重要意义。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一起都将会是未来微电子、光电子器件的基础。此外，纳米粒子还具有其它的一些特殊性质，如库伦阻塞与量子隧穿及介电限域效应等。 1.2 纳米材料特性对材料性能的影响 1.2.1 电学性能 电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束而呈现出量子限域效应。纳米材料晶界上原子体积分数增大，晶界部分