第六章纳米材料的制备和合成

纳米材料学简明教程(汪信)第六章纳米材料生物药物化学PPT课件

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蛋白质四级结构是蛋白质三级结构的二次团聚体，与常规
纳米材料中的团聚体一样，二次团聚基本上是靠非化学键作用力
完成的；而三级结构是蛋白质二级结构进一步折叠、卷曲后形成
的球形聚集体。
5.1 生物领域中的纳米材料和纳米结构
• 5.1.3 蛋白质的纳米结构
•
在蛋白质四级结
构的基础上，还会出
现进一步的堆积或组
孔穴），但此时的稳定态不一定是原先的基态，这一回迁过程释
放光能，产生可见光。因此，可以这样通俗的理解，产生可见光
的电子能级不仅可存在于原子或分子体系（后者涉及分子轨道理
论），还可存在于纳米粒子体系。对于同种物质构成的量子点而
言，产生荧光的能级差与颗粒大小有关，因此，组成相同但尺寸
不同的量子点可产生不同的颜色。
•
新近研究发现了以上所述DNA/烷基巯醇/纳米Au粒子复
合体的新用途，它可用作探针去表征其它DNA分子的结构，下图
描述了这种新型探针的基本原理，位于该图左端的是DNA/烷基
巯醇/纳米Au粒子复合体，DNA分子链在纳米Au粒子表面的分布
较为稀疏，该复合体与待测DNA分子相互作用后形成一个团聚体，
有趣的是，当纳米金粒子在团聚体中的间隔明显大于纳米金粒子
• 蓝色蝴蝶翅膀的表面微结构，图中比例尺：（a）~50um（b）
5.1 生物领域中的纳米材料和纳米结构
• 5.1.5 动植物界丰富的纳米结构
•
荷花之所以出
污泥而不染，是因为
荷花、荷叶的表面具
有强疏水性，显微观
察表明，平时看似光
滑的荷叶表面结构其
实是粗糙的，它们的
表面凹凸不平但错落
有致，这些凸状柱

纳米材料的合成与性能调控

纳米材料的合成与性能调控自从纳米技术诞生以来，人们对纳米材料的研究和应用越来越深入。

因为纳米材料的微小尺寸和独特性质，纳米材料已广泛应用于电子、材料和医学等领域。

而其中，纳米材料的合成和性能调控一直是研究的重点。

一、纳米材料的合成1. 水热法合成水热法是一种低温高压合成法，在该法中，反应溶液在加热至高温，并在高温条件下冷却。

由于高溶质浓度和高压，原子和分子在溶液中被压缩或“限制”，使得纳米材料的合成更容易。

例如，利用水热法合成氧化锌纳米颗粒。

2. 气相合成气相合成法是利用各种气态前体分子在高温和低压下通过化学反应形成纳米材料，例如利用此法合成纳米碳管和金属纳米颗粒。

3. 溶剂热法合成溶剂热法合成是一种利用有机溶剂加热和冷却的方法。

这种合成方法可以在相对低温下制备亚稳态纳米材料。

例如，利用溶剂热法合成二氧化钛纳米颗粒。

二、性能调控1.表面性质的调控纳米材料的表面性质与其性能密切相关，因此研究如何调控纳米材料表面性质是必要的。

例如，通过在纳米颗粒表面修饰具有不同官能团的化学分子，可以控制纳米颗粒的亲疏水性等表面性质。

2.尺寸效应的调控纳米材料的尺寸效应是纳米材料独特性质的重要来源。

纳米材料的尺寸对其性质具有明显的影响。

例如，纳米颗粒和纳米线的尺寸可以调控其光学、电子等性质。

3.晶体结构的调控晶体结构是纳米材料特殊性质的另一个重要来源。

通过控制晶体结构和纳米材料的形状可以调控纳米材料的性质。

例如，利用阴离子控制合金纳米颗粒的结构可以实现晶格的调控。

结论从纳米材料的合成和性能调控可以看出，纳米材料的性质来源于它的微小尺寸和独特结构。

因此，纳米材料一旦合成成功，其性质的调控就是基础研究和应用的重点之一。

纳米材料的合成和性能调控不仅在材料科学领域具有重要意义，而且在生命科学和医学领域也具有潜在应用价值。

第六章_纳米材料的制备和合成.ppt

（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总
原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size
（2）量子尺寸效应当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。
Earth 1.2 x 107 m
什么是纳米(nanometer)？
•
In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。人高针头红血球分子及DNA 氢原子 100万纳米 1千纳米 1 纳米 20亿纳米
0.1 纳米
什么是纳米(nanometer)？
社会意义：
Earth 1.2 x 107 m
（1）纳米是新的物质观，新的方法论；（2）纳米是社会实践体系
a. 掀起广泛深入的社会实践活动 b. 各国政府纷纷纳入战略规划 c. 纳米技术的产业化实践
什么是纳米结构(nanostructure)？
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。
ZnO Materials Letters 59 (2005) 1696–1700
Nano peapod
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science----1 February 2002)
纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部分别从不同角度予以了资助

李奇材料化学第六章纳米材料

1. 小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
Байду номын сангаас
纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：
• 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的那么颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。
第一阶段（1990年以前）
• 第二阶段（1994年以前）
研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。
图6-1-1 碳纳米管的TEM照片 (a) 直径6.7nm，含有5层碳管 (b) 直径5.5nm，含有2层碳管 (c) 直径6.5nm，含有7层碳管
按维数分，纳米材料的基本单元可分为三类：
零维
•
指在空间三维方向均为纳米尺寸的颗粒，原子团簇等。
一维
二维
•
指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。
石墨片卷绕成碳纳米管 (a) 石墨片； (b) 以扶手椅面方向为轴卷绕的情况； (c) 有螺旋度时的卷绕情况
2. 纳米棒、纳米丝
准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，而长度要比上述两维方向上的尺度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材料。人们把纵横比（长度与直径的比率）小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米丝。
•
指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层薄膜等。
纳米材料大部分都是人工制备的，但自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体这样的物质。

微乳法

(5) Ostwald陈化(Ostwald Ripening)，根据Kelvin公式，小质点 (4)转相, 由于表面活性剂在油、水两相中的溶解度相对大小与表面活性剂的亲水亲油平衡(Hydrophile-Lipophile Balance)，即 HLB密切相关，因此可以说，表面括性剂的HLB是决定乳状液类型的主要因素。非离子表面活性剂的HLB是温度的函数。在低温下呈现水溶性的非离子表面活性剂在高温下则呈油溶性。因此，用非离子表面活性剂作乳化剂时，若在低温下制得O/W 乳液，在高温下则会变为W/O型。发生变形时的温度称为相转变温度(Phase Inversion Temperature)，简称PIT。式中Cr是微小晶体的溶解度，C是普通晶体的溶解度，γ(s) 及ρ(s)分别为固体的界面张力及密度。将比大质点具有更大的溶解度。于是小质点将不断溶解，大质点将不断长大。这一过程称为Ostwald陈化。在乳状液体系中，它通过分散相经过连续相介质的分子扩散而进行。这一过程导致体系的平均质点半径随时间增大，因此是一种不稳定过程。
4
纳米化溶剂中，随着双亲物质浓度的增大，也能形成聚集体.这种聚集体通常以亲水基相互靠拢，而以亲油基朝向溶剂，其构型与水相中的胶团正好相反，因此被称为反胶团或逆胶团(Reversed or inserted Micelle)。例如，在水/油/非离子表面活性剂体系中，低温时表面活性剂在水相形成胶团，但随着温度的升高，表面活性剂逐步转移到油相，并形成反胶团。
2
纳米化学microemulsion
1.2.1 乳状液的形成根据热力学理论，乳状液不能自发形成。因此，要使一个油/水体系变成乳液，必须由外界提供能量。制备乳状液的主要方法是分散法，即通过搅拌、超声波作用或其它机械分散作用使两种流体充分混合，最终使得一相分散在另一相中。制备乳液时的个关键问题是制得的乳液是哪一种类型, 经验证明，影响乳液类型的因素有: ①两相的体积比。 ③表面活性剂的性质和浓度。 ②两相的粘度差异。 ④温度。

溶胶凝胶原理及技术06 粉体材料

3.金属有机化合物聚合凝胶法包括：
（1）金属醇盐水解法和
（2）金属螯合凝胶法。 (1)金属醇盐水解法金属有机化合物溶解在合适的溶剂中，发生一系列化学反应，如水解、缩聚和聚合，形成连续的无机网络凝胶。 1）得到无机聚合凝胶基本上有两种途径： A、采用只在无水有机介质中稳定的金属醇盐，加水后会很快水解； B、采用在含水溶液中也能保持稳定的金属螯合物，其水解速度要慢得多，水的蒸发将促进水解。
（2）制备溶胶。 1）制备溶胶有两种方法：聚合法和颗粒法，两者间的差别是加水量多少。 2）聚合溶胶：是在控制水解的条件下使水解产物及部分未水解的醇盐分子之间继续聚合而形成的，因此加水量很少； 3）粒子溶胶：是在加入大量水，使醇盐充分水解的条件下形成的。 4）金属醇盐的水解反应和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因。控制醇盐的水解缩聚的条件如：加水量、催化剂和溶液的pH值以及水解温度等，是制备高质量溶胶的前提。
YBa2Cu3O7-δ
LaCoO3 3A12O3· 2SiO2 La0 .8 Sr0 .2 FeO3 ZnS， CdS (Pb，La) (Zr，Ti)O3
高临界温度超导材料
气敏材料，催化剂耐火材料，添加剂气敏材料半导体光敏阀门，光电显示器
二、溶胶-凝胶法制备纳米粉体材料的过程及控制（一）溶胶-凝胶法制备纳米粉体材料的过程溶胶-凝胶法主要步骤有以下几步：（1）制取包含金属醇盐和水的均相溶液，以保证醇盐的水解反应在分子平均的水平上进行。由于金属醇盐在水中的溶解度不大，一般选用醇作为溶剂，醇和水的加入应适量，习惯上以水/醇盐的摩尔比计量。催化剂对水解速率、缩聚速率、溶胶凝胶在陈化过程中的结构演变都有重要影响，常用的酸性和碱性催化剂分别为HCl和NH4OH，催化剂加入量也常以催化剂/醇盐的摩尔比计量。为保证前期溶液的均相性，在配制过程中需施以强烈搅拌。

第六章-纳米材料

第二节纳米材料旳制备
纳米材料制备措施分为：物理法、化学法和综正当。物理法是最早采用旳纳米材料制备措施，这种措施是采用高能耗旳方式，强制材料细化得到纳米材料。例如，惰性气体蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法等。
化学法采用化学合成措施，合成制备纳米材料，例如，沉淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶凝胶法等。
2、化学制备法
(1)湿化学法制备纳米粉体湿化学法较简朴，易于规模生产，尤其适合
于制备纳米氧化物粉体。主要有沉淀法、水热法、乳浊液法等。
沉淀法一般是在溶液状态下将不同化学成份旳物质混合，在混合溶液中加入合适旳沉淀剂制备纳米粒子旳前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应旳纳米粒子。
6.3.1 基本原理
STM旳基本原理图如下：图中圆圈为原子，中间深色部分为原子核，周围浅色部分和分散旳黑点是电子云，下面11个原子代表被测测试样面。
STM旳基本原理是量子隧道效应。在经典力学中，当势垒旳高度比粒子旳能量大时，粒子是无法越过势垒旳。然而，根据量子力学旳原理，此时粒子穿过势垒出目前势垒另一侧旳概率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ并不为零。这种现象称为隧道效应。
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术是20世纪80年代末期诞生并正在崛起旳新科技，它旳基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，经过直接操作和安排原子、分子发明物质。纳米科技是研究由尺寸之间旳物质构成旳体系旳运动规律和相互作用以及可能旳实际应用中旳技术问题旳科学技术。纳米科技主要涉及：（1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。
当针尖和样品旳间距足够小时(<0.4nm)，在针尖和样品面间施加一偏置电压，便会产生隧道效应。电子在针尖和样品面之间流动，形成隧道电流。在相同旳偏置电压作用下，伴随探针一样晶面旳间距减小，隧道电流不久增大(可增大1～2 个数量级)，同步针尖原子和样品面原子旳电子云部分重叠，使两者之间旳相互作用大大增强。因为隧道电流随距离呈指数形式变化，所以，样品面上因为电子排列形成旳“凹凸不平”旳表面，造成隧道电流剧烈变化。检测变化旳隧道电流经计算机处理，便能得到样品面旳原子排列情况。

新版第六章纳米材料的制备方法课件.ppt

4. 电子束加热：可制备高熔点金属以及相应的氧
化物、碳化物、氮化物等纳米粒子，通常在高真空中使用
5. 微波加热：加热速度快且均匀，节能高效，易于控制，但不适用于金属材料
6. 电弧加热：有气中电弧精选和真空电弧两种
6
6.1.1 物理气相沉淀法(PVD)
• 定义：在整个纳米材料形成过程中没有发生化学反应，主要是利用各种热源促使金属等块体材料蒸发气化，然后冷却沉积而得到纳米材料。主要用于制备金属纳米微粒
精选
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1. 热分解法：利用金属化合物的热分解反应来制备超微粒的方法。
公式：S1
S2 + G1
常选用有机盐前驱体，由于有机盐易提纯、金属
组成明确，分解温度低，但是价格高，产生的
碳容易进入分解生成物
2. 火花放电法：
例如：氧化铝的制备，在水槽内放入金属铝粒的堆积层，把电极插入层中，利用在铝粒间发生的火花放电来制备微粉
• 物质的微粉化机理： 1. 将大块物质极细地分割（粉碎过程）
2. 将最小单位(原子或分子)组合（构筑过程）
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• 分类：
粉碎法包括：(用球磨机、喷射磨等进行粉碎)，化学处理(溶出法)等
构筑法包括：热分解法(大多数是盐的分解)，固相反应法(化合物)，火花放电法(用金属铝生产氢氧化铝)等
精选
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6.2.2 喷雾法
• 定义：是指溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。
• 特点：颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米到l0 um
• 分类：根据雾化和凝聚过程分为下述三种方法：喷雾干燥法、雾化水解法、雾化焙烧法
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