纳米材料的自组装综述
纳米材料自组装技术
纳米材料自组装技术纳米材料自组装技术是指利用纳米颗粒和分子之间的相互作用力，在特定外界条件下实现纳米材料自组装、自排列的一种技术。
在纳米领域中，纳米材料自组装技术具有许多优势，如可控性强、成本低、工艺简单等，因此在纳米技术研究和应用中得到广泛关注。
纳米材料自组装技术的基本原理是通过调节纳米颗粒和分子之间的相互作用力，使其按照设计的结构和排列方式进行自组装。
这种相互作用力可以是静电力、范德华力、磁性力、亲疏水力等。
在纳米颗粒之间的相互作用力中，范德华力是最常用的一种，通过调节范德华力的大小和方向，可以控制纳米颗粒的组装方式和排列方式。
纳米材料自组装技术有多种方法，其中较常见的方法包括溶液中的自组装、表面吸附的自组装和气-液界面的自组装等。
在溶液中的自组装中，纳米颗粒通过溶剂的挥发、溶液的浓缩等方式进行组装，形成二维或三维结构。
表面吸附的自组装是将纳米颗粒吸附到固体表面上，通过控制吸附位置和相互作用力，实现纳米颗粒的有序排列。
气-液界面的自组装是将纳米颗粒悬浮在液体中，然后通过气体的吹扫或挥发，使纳米颗粒在液体表面上组装成膜或排列成有序结构。
纳米材料自组装技术的应用范围非常广泛。
在材料科学中，可以利用纳米材料自组装技术制备具有特定结构和性能的材料，如纳米线阵列、纳米薄膜、纳米孔等。
这些材料具有许多独特的性能，如光学性能、电学性能、磁学性能等，有广泛的应用潜力。
此外，纳米材料自组装技术还可用于制备纳米器件、生物传感器、纳米催化剂等领域。
在生物医学中，纳米材料自组装技术可以用于制备纳米药物载体、纳米图案和纳米结构等，用于癌症治疗、疾病诊断和生物传感等应用。
纳米材料自组装技术的发展还面临一些挑战和难题。
首先，纳米颗粒之间的相互作用力非常微弱，容易受到外界环境的影响，导致组装结果不稳定。
其次，纳米颗粒的组装工艺复杂，需要精确控制多个参数，如温度、浓度、pH值等。
此外，纳米材料自组装技术在大规模制备和商业化应用方面还存在一些问题，如成本高、工艺不稳定等。
纳米材料的组装与自组装
纳米材料的组装与自组装近年来，纳米材料的研究越来越受到了重视。
纳米材料是指晶粒大小在1~100纳米之间的材料，由于其特殊的表面化学、机械和物理性质，对于材料科学、生命科学、环境科学等领域都有着广泛的应用。
然而，纳米材料制备的过程中常常面临组装和自组装问题。
本文将从这两个方面探讨纳米材料的组装与自组装，旨在为纳米材料研究和应用提供参考。
一、纳米材料的组装纳米材料的组装可以指材料的单个纳米颗粒的组装，也可以指将多个纳米颗粒组成的纳米体系的组装。
纳米材料的组装是纳米科技研究中不可或缺的一部分。
下面就针对性地介绍几种纳米材料的组装方法。
1.1 化学制备法化学制备法是指通过合成化学反应将纳米颗粒组装成具有特定形态和尺寸的结构的方法。
在这种方法中，通常使用化学反应的方法来控制纳米颗粒的大小和形状，并通过表面修饰实现组装。
例如，通过调节表面修饰剂的链长控制纳米颗粒之间的距离，从而组装成不同的结构。
1.2 模板法模板法是指利用介孔或微孔材料作为模板，将纳米颗粒沉积在孔隙中，以实现纳米材料的组装。
例如，将纳米材料溶液浸泡在具有一定孔径的硅胶模板中，通过自组装或化学反应控制纳米颗粒的大小和形态，最终将纳米颗粒沉积在孔隙中。
1.3 电化学制备法电化学制备法是指通过电化学还原或氧化，将纳米颗粒组装成具有特定形态和尺寸的结构的方法。
在这种方法中，利用电极为媒介，在电场作用下控制纳米颗粒的组装方向和排布，最终实现纳米材料的组装。
二、纳米材料的自组装在纳米领域中，自组装技术是非常重要的一种材料组装方式。
自组装是指在适当的条件下，纳米结构自发地组装成具有规则结构的过程。
自组装具有很多优点，例如高效、低成本、易于控制等，因此受到了广泛的关注和研究。
下面将介绍几种常见的自组装方法。
2.1 Langmuir-Blodgett自组装法Langmuir-Blodgett自组装法是将具有功能性基团的分子或聚合物分子溶解于有机溶剂中，形成薄膜的过程。
材料工程中各类纳米材料自组装技术原理及其优势
材料工程中各类纳米材料自组装技术原理及其优势自组装技术是材料工程领域中一种重要的制备方法，它利用材料本身的物理化学性质，将分散的纳米颗粒按照一定的规则有序地排列和组装起来，形成有序的结构和功能。
在材料工程中，各类纳米材料自组装技术被广泛应用于制备高性能材料、纳米器件、纳米传感器等领域。
本文将依次介绍各类纳米材料自组装技术的原理及其优势。
首先，介绍一维纳米线自组装技术。
一维纳米线是具有高比表面积和优异电子、光学性能的纳米材料。
利用表面张力等力学效应，可以将一维纳米线有序地组装成各种特定结构。
一维纳米线自组装技术的原理是通过控制纳米线之间的相互作用力，使其在特定的溶剂中有序排布。
通过调整溶剂的溶剂效应和表面功能化等手段，可以进一步控制纳米线的组装方式和结构。
一维纳米线自组装技术具有高效、可扩展性强、结构可调控等优势，在纳米电子器件、柔性传感器等领域有着广泛的应用前景。
其次，介绍二维纳米薄膜自组装技术。
二维纳米薄膜是具有超薄厚度、大比表面积和高载流子迁移率等特性的纳米材料。
通过利用分子间的范德华力和静电作用力等相互作用力，可以将二维纳米材料有序地自组装成纳米薄膜。
二维纳米薄膜自组装技术的原理是通过将纳米材料悬浮在溶液中，利用自身的能量最小化原则，使纳米材料有序地排列在基底上。
通过调控溶液的pH值、离子浓度、温度等参数，可以控制纳米薄膜的厚度、晶格结构和电子输运性能。
二维纳米薄膜自组装技术具有制备简单、制备速度快、结构可调控等优势，被广泛应用于柔性显示器、光电器件等领域。
然后，介绍三维纳米结构自组装技术。
三维纳米结构是由纳米材料构成的具有复杂形状和特殊功能的结构。
通过利用纳米材料的自组装性质，可以将纳米颗粒按照一定的规则有序地组装成三维结构。
三维纳米结构自组装技术的原理是通过控制纳米颗粒之间的相互作用力，使其在特定的条件下进行自组装。
通过调控溶剂的溶剂效应、表面功能化和外界场等手段，可以控制纳米颗粒的位置、排列和连接方式。
材料科学领域纳米材料设计方法综述
材料科学领域纳米材料设计方法综述引言：随着纳米科学与技术的迅猛发展，纳米材料引起了广泛关注，并在各个领域展现出巨大的潜力。
纳米材料具有特殊的物理、化学和生物学性质，以及较大的比表面积和界面效应等独特特性。
纳米材料的设计方法和制备技术对于开发新型材料、提高材料性能和创新功能材料具有重要意义。
在材料科学领域，纳米材料的设计方法一直是研究热点之一。
本文将对目前纳米材料设计方法进行综述，包括理论模拟计算方法、实验设计方法以及混合方法等。
一、理论模拟计算方法1. 密度泛函理论（DFT）密度泛函理论是纳米材料设计中经常采用的一种计算方法。
它基于量子力学原理，通过求解Schrödinger方程获得材料的电子结构和物理性质。
DFT可以预测纳米材料的能带结构、原子和分子间的相互作用等重要性质，并能够通过模拟计算进行材料的优化和组装。
然而，DFT也存在一些局限性，如计算复杂度较高，对于大尺寸纳米材料的计算非常困难。
2. 分子动力学模拟（MD）分子动力学模拟是一种基于经典力学原理的计算方法，适用于研究纳米材料的结构和动力学行为。
通过分子间的相互作用力和运动方程，可以模拟出纳米材料的力学性质、热力学性质等。
分子动力学模拟可以预测纳米材料的形貌，优化材料的构型，研究材料的力学响应等。
然而，分子动力学模拟也存在一些局限性，如模拟的时间尺度和空间尺度有限。
二、实验设计方法1. Top-down方法Top-down方法是一种将大尺寸的材料通过加工和刻蚀等方法逐渐减小至纳米尺寸的方法。
例如，通过光刻和电子束曝光等技术，可以在大面积的材料上制备出纳米图案。
Top-down方法适用于制备尺寸较大的纳米材料，具有操作简单、可扩展性强的优点。
但是，这种方法对原料材料的选择和加工工艺的控制要求较高。
2. Bottom-up方法Bottom-up方法是指通过分子自组装和化学合成等方法逐步构建起纳米尺寸的材料。
通过控制反应条件和材料的自组装过程，可以精确调控纳米材料的形貌和结构。
纳米材料科学中的自组装技术及其应用
纳米材料科学中的自组装技术及其应用随着科学技术的日新月异，人们在各个领域都已经开始尝试着运用纳米材料来解决现实问题。
而要将纳米材料应用到实际生产和应用中，就必须要有一种高效、经济、简单的方法来制备这些材料。
在这个领域中，自组装技术成为了一个备受瞩目的方法，被成功地运用于纳米材料的制备和修饰中。
自组装是一种由分子或聚合物自行形成的无序或有序的结构，这种结构可以在不含有外部能量的情况下自行组装。
在纳米材料科学中，自组装技术是指通过一些化学、物理方法，控制分子之间的相互作用，从而实现二维或三维的纳米材料自组装。
自组装技术的研究始于20世纪60年代，1985年，莫勒、维廷和科伦布等人发现了通过自组装制备的硅胶膜.之后，自组装技术迅速发展，在能源、催化、生物学、材料科学等领域得到了广泛的应用。
其中，纳米材料的制备和修饰是自组装技术最为有效的应用之一。
一、自组装技术在纳米材料制备中的应用自组装技术可以通过控制溶液中的各种参数，如溶液温度、pH 值、表面张力等，来调控分子之间的相互作用，从而实现分子的有序排列。
当分子组成的结构达到一定程度后，这些结构就会结晶成纳米结构。
因此，自组装技术被广泛地应用于纳米材料的制备中，既能控制纳米晶体的形状，也能调控其大小。
各种形状的纳米结构，如球形、棒状、管状、盘状等都可以通过自组装方法实现。
例如，在纳米材料制备中，可以通过自组装的方法来制备金属纳米米颗粒。
在自组装技术中，常使用胶体颗粒为基础实现金属纳米颗粒的制备。
通过对胶体颗粒的表面进行修饰，可以调控颗粒的大小和形状，进而控制金属纳米颗粒的大小和形状，实现制备目标的达成。
除了金属纳米颗粒的制备，自组装技术还能用于制备其他类型的纳米材料。
例如，利用自组装技术，可以制备出多孔的无机盘状纳米片。
这些多孔纳米片可以用于催化、药物传递、电化学传感器等方面。
另外，自组装技术也能制备出一些特殊形状的纳米结构，例如球形纳米晶体、纳米棒、纳米管等，这些纳米结构具有很好的应用前景。
纳米材料的自组装综述
纳米材料的自组装综述纳米材料的自组装是一种具有巨大潜力的新兴领域，通过利用分子间的相互作用和动力学行为来自组装出具有特殊结构和性质的纳米材料。
自组装方法不仅能够制备出高度有序的纳米结构，还能够在纳米尺度上控制物质的形貌、结构和性能，因此被广泛应用于纳米科学、纳米技术和材料科学等领域。
自发性自组装是指纳米材料在适当条件下，由于分子间的相互作用和动力学行为，自行组装形成特定的纳米结构。
自发性自组装方法包括溶液中的自组装、蒸发结晶法、自组装膜的自发生成等。
其中，溶液中的自组装是一种常见的方法，通过溶液中的分子之间的静电相互作用、范德华力、水合作用等力来实现自组装。
在适当的溶剂和浓度条件下，纳米材料可以通过纳米粒子的互相吸引和排斥形成特定结构。
蒸发结晶法是一种将溶液中的纳米材料通过蒸发水分使其自行形成纳米结构的方法。
自组装膜的自发生成是指将自组装分子散布在固体基底上，通过控制其组装行为，使其在固体基底上形成自组装膜。
外界控制下的自组装是指通过外界参数的调控来实现纳米材料的自组装。
外界控制下的自组装方法包括利用电场、磁场、光场、温度等外界参数的调控来实现纳米材料的组装行为。
例如，电场可以通过调控分子之间的电荷来实现纳米材料的组装行为；磁场可以通过控制磁性纳米材料的相互作用来实现纳米材料的组装行为；光场可以通过控制光的强度、波长和方向来实现纳米材料的组装行为；温度可以通过调控纳米材料的热运动来实现纳米材料的组装行为。
纳米材料的自组装不仅能够制备出具有特殊结构和性能的纳米材料，还能够为纳米技术和材料科学的发展提供新的方法和途径。
自组装方法可以实现纳米材料的可控制备和自组装膜的可控形成，为纳米技术的实现和材料科学的发展提供了重要的基础。
此外，纳米材料的自组装还具有很多独特的优势，例如可以在大面积上实现纳米尺度的组装、可以制备出高度有序的纳米结构、可以通过改变组装条件来调控纳米材料的性能等。
总之，纳米材料的自组装是一种具有巨大潜力的新兴领域，通过自发性自组装和外界控制下的自组装方法，可以实现纳米材料的有序组装和控制形貌、结构和性能。
纳米材料的超分子自组装性质
纳米材料的超分子自组装性质随着科技的不断发展，纳米材料已经成为了材料科学研究的重要领域。
从微观角度来看，纳米材料的特殊结构带来了其独特的性质，这也让科学家们对其进行了越来越多的探索。
其中，纳米材料的超分子自组装性质引起了广泛的关注。
超分子自组装是指小分子或分子组装形成大分子的过程，其包括两个步骤：分子间的非共价相互作用和分子间的组装。
这个过程需要外界的初始能量来推动，最终形成了具有一定结构和功能的分子集合体。
而纳米材料作为超分子自组装的一种重要形态，具有更为复杂的结构和性质。
纳米材料的超分子自组装性质主要由其分子间相互作用力决定，其中包括疏水性、静电作用、范德华力、氢键等。
在这些相互作用力的作用下，纳米材料能够通过自组装形成具有特定结构和性质的超分子材料。
疏水性是一种非常重要的相互作用力，它能够使得分子趋向于聚集在一起。
疏水性最早是由Franklin在1936年提出的，被广泛应用于生物学和化学领域。
纳米材料的疏水性在超分子自组装方面也起到了重要作用。
例如，远红外辐射功能纳米纤维的制备就利用了这种特殊的性质。
在这种材料中，纳米纤维的部分骨架材料被功能化，形成了长链，这些长链在水中呈现出疏水性，聚集在一起并形成了纳米材料的结构。
静电作用是还一种重要的相互作用力，它起到了将分子聚集在一起的作用。
例如，聚合物-无机纳米复合材料就是通过静电作用使得聚合物分子与纳米材料相互作用形成的。
这种材料具有高度的结构稳定性和一定的机械性能，可以在某些领域得到成功的应用。
范德华力是材料科学中重要的分子间相互作用力之一，具有很强的方向性。
在纳米材料的超分子自组装中，范德华力同样起到了关键的作用。
例如，基于纳米颗粒的超分子自组装材料具有特殊的性质，具体原因就来自于范德华力在其中所起的作用。
纳米颗粒之间的交互作用由固定数量的范德华力决定，所以其优异的性质具有一定的理论基础。
除此之外，氢键也是纳米材料中起到重要作用的相互作用力之一。
三维纳米材料制备技术综述
三维纳米材料制备技术综述随着纳米科技的高速发展，越来越多的纳米材料被广泛应用于各个领域。
而在纳米科技研究中，三维纳米材料制备技术是一个焦点和研究热点。
三维纳米材料具有高比表面积、优异的物理和化学性能，因此在能源、催化、传感器等领域有广泛的应用前景。
本文将综述目前主要的三维纳米材料制备技术。
首先，自下而上的构筑是一种重要的制备三维纳米材料的方法。
该方法主要通过分子自组装、溶胶凝胶法和水热合成等方法来实现。
其中，分子自组装方法是将有机分子通过相互作用力自动组装成三维结构，形成纳米尺度的材料。
溶胶凝胶法是将固体溶胶通过溶胶液体在溶胶凝胶转变过程中形成结构独特的凝胶。
水热合成是利用水热条件下形成热力学稳定的材料。
这些方法制备的三维纳米材料具有结构稳定、形貌可控和高比表面积等显著特点。
其次，模板法也是一种常用的制备三维纳米材料的方法。
模板法主要包括模板刻蚀法和模板填充法两种。
模板刻蚀法是利用已有的模板，在模板表面沉积材料后进行刻蚀，形成三维纳米结构。
常见的模板包括纳米颗粒、聚合物模板和胶体晶体等。
模板填充法是将材料填充到模板的孔隙中，并通过去除模板来得到三维纳米材料。
这种方法制备的三维纳米材料具有孔隙结构和高比表面积，可用于催化剂和电化学电极等领域。
再次，电化学沉积也是一种常见的制备三维纳米材料的方法。
该方法主要利用外加电压或电流在电解质溶液中将金属离子还原成固体金属，使其沉积在电极上，形成纳米材料。
通过控制电化学条件，可以得到不同形貌和结构的三维纳米材料。
这种方法制备的纳米材料具有良好的结晶性和导电性，在电极材料和传感器等领域有广泛应用。
最后，还有一些其他的制备方法，如气相沉积、热处理和光刻技术等。
气相沉积是通过在气相中沉积材料，形成纳米尺度的材料。
热处理是通过控制温度和热处理时间来改变材料的结构和形貌。
光刻技术是利用光敏剂对光的化学反应，制备出具有微米和纳米结构的材料。
综上所述，制备三维纳米材料的技术有很多种，每种方法都有其特点和适用范围。
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纳米材料的自组装综述专业：高分子材料与工程摘要： 自组装技术是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一。
本文对最近几年自组装技术在纳米科技领域中的一些重大突破和成果进行较为系统地综述,主要包括以下几个方面:自组装单层膜、纳米尺度的表面改性、超分子材料、分子电子学与光子晶体。
关键词： 自组装; 纳米技术; 材料；超分子材料1 引言纳米科学与技术是一门在0. 1～100 nm 尺度空间研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。
它以现代先进科学技术为基础,是现代科学(混沌物理、量子物理、介观物理、分子生物学) 和现代技术(计算机技术、微电子技术、扫描隧道显微技术、核分析技术) 相结合的产物。
它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子,制造具有特定功能的产品。
纳米技术作为21 世纪新的推动力,将对经济发展、国家安全、人民生活、以至于人们的思维产生深远的影响[1 ] 。
自组装是在无人为干涉条件下,组元自发地组织成一定形状与结构的过程[2 ] 。
自组装纳米结构的形成过程、表征及性质测试,吸引了众多化学家、物理学家与材料科学家的兴趣,已经成为目前一个非常活跃并正飞速发展的研究领域[3 ] 。
它一般是利用非共价作用将组元(如分子、纳米晶体等) 组织起来,这些非共价作用包括氢键、范德华力、静电力等[1 ,4 ] 。
通过选择合适的化学反应条件,有序的纳米结构材料能够通过简单地自组装过程而形成,也就是说,这种结构能够在没有外界干涉的状态下,通过它们自身的组装而产生。
因此,自组装是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一[2 ] ,它已成为纳米科技一个重要的核心理论和技术。
纳米材料因其尺寸上的微观性，从而表现出特殊的光、电、磁及界面特性。
这些特性使得纳米材料广泛应用于各种领域：涂料[5 ]、催化剂[6-7] 、电化学[8] 、光化学[ 9]及材料科学[10-12 ](如光电子器件)。
2 自组装单层膜分子与生物分子膜正在被广泛应用到许多研究领域。
自组装单层膜就是其中的一个研究重点。
它是分子通过化学键相互作用,自发吸附在固/ 液或固/ 气界面,形成热力学稳定和能量最低的有序膜。
在适当的条件下,自组装单层膜可以通过不同类型的分子和衬底来制备,常用的衬底有Au (111) 、Pt(111) 、Ag 、Al 、Si 、云母、玻璃等。
目前,研究最多的自组装单层膜可以分为三种类型[13 ] :由脂肪酸自组装的单层膜; 由有机硅及其衍生物自组装的单层膜;烷烃硫醇在金表面自组装的单层膜。
它们的原理很简单,一个烷烃长链分子 (带有10～20 个亚甲基单元) ,其头部基团吸附到所用的衬底上,如硫醇(S —H) 头部基团和Au (111) 衬底已被证明可以进行完美的结合,它代表了一种控制表面性质的模式。
硫醇分子在溶液中很容易吸附到金衬底上,形成一密集的单层,尾部基团从表面伸向外部,通过应用带有不同尾基的硫醇分子,化学样品的表面功能可以在很大范围内进行调节。
自组装单层膜有着广泛的应用,如电子传输的研究、生物传感器、生物膜模型及微电子装置等。
自组装技术除制备单层膜外,还可以生长多层膜。
多层自组装是在单层膜的基础上进行的,它要求在自组装单层膜的表面进行化学修饰,连接上羟基、羧基、酯基、氨基、卤素等,这些表面活性剂基团能够直接用于下一层的组装或通过化学反应转变为功能基,从而有利于下一层的组装,得到的功能化表面又可继续进行二次自组装和功能化,如此重复可获得多层自组装薄膜。
3 纳米尺度表面改性在纳米尺度进行表面改性从而控制表面性质也是一个相当重要的过程。
传统的平板蚀刻术被限制在几百纳米的水平,而利用AFM 或STM 技术又非常缓慢。
因此,理想的状况是原子能够自动到达人们所希望它到达的位置。
当然在实践中,仍需要非常耐心地去进行这些操作。
2002 年,Wolkow 等人[14 ,15 ]报道了苯乙烯分子能够在已经附有氢原子的硅表面上自组装成一排排有序的队列。
首先是使硅在高真空中得到一光滑的表面,然后在这个表面上连接氢原子,接着利用扫描隧道显微镜从硅的表面上除去单个的氢原子,从而得到了一个不稳定的硅单键,这样就提供了苯乙烯分子能够连结的场所。
苯乙烯分子的双键发生断裂,一个碳原子与硅相连,此时将会导致相临的一个氢原子与硅发生分离,从而连接到另一个碳原子上。
这样就引发了一链式反应,苯乙烯分子成线形连结到了硅表面上。
同时他们指出,这一过程还可以应用到其它的有机分子, 如烯烃、炔烃等。
Wolkow 所做的是一种可用于商业应用的方法,如果这些类似的有序队列能够通过一些能传输电子的分子而制得的话,就将能够在预先已制得的硅表面上,自组装形成只有一个分子宽的导线[16 ]。
4 超分子材料在材料科学领域,一个巨大的挑战就是制备超分子材料,因为其内部组元是高度有序的纳米结构。
对于有机材料来讲,大的低聚物自组装成为大分子聚合物,对制造这种纳米结构有着很大的潜力。
在这类材料中,组元间的相互作用往往是非共价作用,如氢键、范德华力、静电力、厌水作用、π2π键等。
1997 年,Stupp 等人[17,18]用小型三嵌段共聚物,自组装出形状与尺寸具有高有序性的蘑菇状纳米结构。
这种结构是由化学性质完全相同的嵌段结晶而形成的,并且,这些单元能够自组装成由许多层堆积起来的薄膜。
2001 ,他们又利用缩氨酸两性分子在一定的pH 值下形成了纤维状的脚手架分子。
这种两性缩氨酸分子的特殊设计使得纳米纤维能被可逆性的相互交叉连接,这样就可以提高或降低他们的结构完整性。
在交叉连接之后,这些纤维能够指导羟基磷灰石的矿化,形成了一种羟基磷灰石的晶体学轴线与纤维的长轴线相互平行的复合材料。
这种排列与骨组织中胶原质纤维与羟基磷灰石晶体之间的排列是相同的。
这种材料有望在骨组织的再生中得到应用。
Olli 等人[19]利用多种梳子状的有机大分子,通过分子识别,然后进行自组装,最后得到各种不同的功能材料,包括可调孔径的纳米多孔材料、智能膜、具有各向异性(如质子传导性) 的纳米物体等。
在此领域中重要的进展还包括制造分子机器的简单模型(它能够为分子计算指明一条道路) 及超分子催化等。
自组装聚合物大分子材料对于制备具有多种性质并能对外界条件产生响应的功能材料来说,是一条有效的途径。
因此学习如何制备大的超分子单元,并且阐明将这些单元应用到功能材料中的规律,将会给该领域带来更广阔的前景。
5 分子电子学在过去的几十年中,硅微电子器件的容量有着一个几乎恒定的增长指数。
然而,在不久的将来,这种增长的势头是不可能继续下去的,因为,它将会遇到许多物理上的限制,例如在纳米尺度时,目前的设计将会导致性能的不可靠。
在原理上,分子电子学能够克服硅技术中的这些局限性。
为了实现这个梦想,研究者们必须找到一种新的方法,来将数百万的晶体管、金属线及其它的装置组装成复杂的电路。
如果没有这种突破,现在纳米科学中的分子电子学将只能停留在表面的研究阶段。
科学家们认为,自组装的概念可以解决这个难题。
Health 等人[21]研制了一个分子电子装置的自组装过程,制造了一个以分子为基础的电路框架结构。
其最关键的一步就是制造出若干组平行的纳米线,它们相互堆积, 就像微小的十字交叉横木一样。
最近,他们又制得了由金属、半导体纳米线所组成的超高密度阵列及纳米线逻辑电路,其纳米线接点处密度高达每平方厘米1011 个交叉。
Lieber 等人在制备交叉横木的结构上也取得了很大的进展。
他们将一维的纳米单元组装成了具有特定功能的结构。
通过流动的液体与表面装饰技术相结合,纳米线能够被组装成具有可控平均距离的平行阵列,而且还可以控制结构的周期性。
此外,复杂的十字交叉纳米线阵列可以通过液体不同的流动方向而得到。
研究表明,十字交叉的纳米线阵列形成了电传导网络结构。
这种方法还能够被用来将其它的一维纳米结构组装成综合的阵列,同时它也提供了一条自下而上组装出新的纳米电子与光子系统的途径。
还有一些研究小组希望能利用生物路线达到相同的目的。
Keating 等人[22]正在利用DNA 来指导纳米棒以精确的排列进行组装,他们希望电路能以一种预定的排列自行连接到一起。
利用自组装制造分子电子电路还没有达到成熟的阶段,但是自组装必将能够推动分子电子学到达一个更复杂的水平,并产生广泛的实际意义。
6 光子晶体为了制备光子晶体,许多研究小组都是应用电子学中所采用的平板蚀刻术。
但是,平板蚀刻术在制备三维、厚的光子晶体上存在着很大的困难。
相比较而言,自组装制造这种较厚的装置则要简单得多,并且这种过程所花费的成本也较低。
1997 年,Velev 等人[23 ,24 ]以单分散性的聚苯乙烯微球自组装得到的结构作为模板,用二氧化硅填充孔隙,除去模板得到了二氧化硅反蛋白石结构。
其后,利用这一自组装2模板技术又获得了带隙范围在可见光或近红外光的CdSe 、CdS 、二氧化钛、硅等反蛋白石结构,这些结构可以通过调节高介电材料的填充率来控制带隙中心。
然而这样获得的光子晶体仍然存在着大量的在自组装过程中所产生的缺陷,要制造无衰弱缺点,并具有光波导性的自组装装置则非常困难。
不过,最近的一些进展重新唤起了人们的希望。
Norris 等人[25]研究出了一种制备大的、无缺陷的光子晶体的方法:将垂直硅晶片的一端浸入到一悬浮着微小玻璃球的溶液中。
随着溶液的蒸发,晶片上就附上了球体自组装而形成的完美晶型排列。
为了将这种球体的排列转变为光子晶体,他们将它暴露在硅蒸气中,硅蒸气慢慢地扩散进球体之间的缝隙中填充缝隙。
然后,再利用氢氟酸来溶解球,从而留下了充满空气孔的硅点阵。
硅网络结构与空气存在着较高的光学衬比度(折射率比) ,这样形成了一个仅仅传播某一波长光线的滤光器。
Braun 等人利用激光在光子晶体中制得一个波导。
与Norris 研究组一样,他们也首先利用自组装制造了一细小球的三维阵列。
然后,利用一种塑料前驱物单体填充球体之间的空隙。
最后,将一对激光聚焦在晶体中的一点上,在激光相遇的位置,它们结合的能量将单体变成了坚硬的聚合物,在光子晶体中获得了一条光通道———光波导。
最近的另一个成果,是Bell 实验室的March 等人[26]报道的将自组装光子晶体转变为一种光转换器,它能够将光的传播改变到不同的方向。
首先,他们也是制造一充满空气孔的固体骨架结构。
但接下来,他们是利用一种细小的、液晶相棒状分子来填充孔,这种分子能够对外加的电场产生响应,从而产生一致方向的旋转。
当接通一个电场时,它将会导致一束光撞击晶体,发生衍射,从而改变其运行方向。
最后,他们称,这种光转换器对于制造只有芯片大小的、能够为光学网络结构发送光子数据的器件可能是有用的。
7 总结自组装是自然界生物系统中的一个非常基本的过程,利用自组装来合成新材料是一种新的方法,它在制造高质量、大数量及结构与性质可控的新材料上有着巨大的潜力。