纳米材料应用于光热治疗-综述
纳米材料应用于光热治疗：综述
摘要：大规模高效的制备大小均一，形貌可控的纳米材料一直是研究的热点问题，在新兴的纳米生物医学领域中，将具有先进功能的纳米材料及具有智能响应特性的纳米结构用于疾病的诊断和治疗研究，目前已实现影像介导的药物递送和治疗、影像指导的手术切除和实时监控的治疗应答等。光热治疗是通过激光照射（近红外光）的方法，改变肿瘤细胞所处环境，将光能转换为热能，达到一定温度，从而杀死肿瘤细胞，达到治疗目的。
具有近红外吸收功能的金属纳米材料是一种理想的红外断层成像的显影剂，本文简述了贵金属包被的碳纳米管、金纳米棒、硫化铜亚微米超结构、金纳米笼等特殊的纳米复合物经过修饰、功能化后应用于肿瘤细胞的光热治疗法之中。
关键字：肿瘤金属纳米材料光热治疗
The Nanomaterials used in Photo-Thermal Therapy:A Review
Sui Yanyan
(College of chemistry Sciences, Southwest University, Chongqing 400715)
Abstract:The development of efficient methods for the controlled synthesis of nanocrystals with monodispersity,stability,and predictable morphology is one of the heartest research.In the burgeoning nano-bio-medicine field,use of advanced nanomaterials and smart stimuli-responsive nanostructures for the diagnosis and treatment of disease can provide the direct evidence to early diagosis,occurrence and development progresses of disease,and also have enabled online imaging of drug for the detection of disease,image-guided drug delivery and treaments,guidanceof surgical resection,and monitoring of treatment response.
With the function of near-infrared absording,metal nanomaterials is a ideal material of the developer infrared tomography.This article briefily resume the use of nanomaterials such as noble metal coated nanotube,Gold nanorods,Copper sulfide sub micron ultra structure,Gold nanocage through decorated and functional in the Photo-Thermal Therapy.
1.引言
1.1肿瘤与纳米材料
恶性肿瘤已经成为导致人类死亡的主要疾病之一，根据2011 年世界卫生组织最新的统计结果显示，预计到2020 年前，全球癌症发病率将增加50%，即每年将增加1500 万癌症患者。同时，癌症的死亡人数也将迅猛上升，至2030 年，全球死于癌症的人数将继续增加74%。其中，全球20%的新发癌症病人在中国，24%的癌症死亡病人在中国[1]。因而，采用新技术提高现有癌症预警与早期诊断、转移监测、疗效预测及有效治疗的临床方法是目前我国公共卫生领域亟待解决的重大问题。
纳米科学和技术被誉为当今三大前沿领域之一，其创新活动正逐渐对社会经济产生深远的影响。科学界普遍认为，作为21 世纪经济增长的一台发动机，纳米技术的作用将大大超越微电子学在20 世纪后半叶对世界的影响[2]。纳米技术与肿瘤医学相结合形成的纳米肿瘤医学是纳米医学中新兴的重要领域，也是当前各国前沿科技优先发展的核心领域。根据美国国立癌症研究院（NCI）调查表明：纳米技术已经在癌症的预防、诊断、影像和治疗等领域展现出巨大的贡献[3-4]。
纳米生物医学的快速发展为开发安全、高效、特异、智能化的纳米探针提供了新思路。纳米颗粒的尺寸比癌细胞尺寸小100 倍，甚至1000 倍，因此他们很容易通过细胞屏障。另外他们优先聚集在肿瘤部位，这是由于肿瘤组织微血管通透性亢进和不健全的淋巴引流系统产生的高通透高滞留效应（Enhanced Permeability and Retention Effect，EPR）而造成的[5]。随着纳米颗粒材料、高生物兼容性表面修饰处理技术和手段的快速发展，如何应用纳米特性如小尺寸效应、纳米表面效应、量子效应、纳米结构独特的声、光、电、热、磁等特殊性质来改进癌症的体外检测、活体影像以及药物的靶向递送与治疗等方法，是目前生命科学对纳米科技提出的最具挑战性的问题，也是纳米科技发展面临的一项重大国家需求。基于目前所取得的研究成果及各国政府对纳米肿瘤医学研究的大量投入，人们有理由相信纳米肿瘤医学将在不同环节为肿瘤的诊疗提供强有力的工具，并从根本上改变目前癌症预防、诊断和治疗的现状。
1.2 光热治疗
热疗（Photo-thermal Therapy，PTT）是通过加温的方法，改变肿瘤细胞所处环境，使肿瘤细胞变性、坏死，达到治疗目的[6]。早在1866年就有报道感染所致的高烧之后肿瘤缩小。热能对细胞产生不同的影响，低剂量热处理有助于损伤的恢复，高剂量热处理可导致细胞死亡，而中等、温和、非致死性剂量的热处理则可使肿瘤细胞对放疗和许多
药物变得敏感。热疗可分为全身热疗和局部热疗两类。全身热疗可通过血液体外循环加热或将人体置于热环境中加温。局部热疗的种类繁多，如通过微波（如射频消融）、超声波（如“海扶刀”）红外线等使肿瘤局部温度升高，导致肿瘤细胞变性坏死[7]。前者由于热疗处理没有偏向性易于引起系统应激反应，而后者需要有特殊的策略对加热部位的精确定位以及控温以保证疗效。
一些晚期或局部晚期的肿瘤患者通过热疗可以减轻症状，改善生存质量，起到较好的姑息治疗作用。肿瘤的热疗可以以两种方式进行，一种是全身热疗，另一种是局部热疗。利用纳米探针产热治疗肿瘤，是纳米医学的研究热点之一。目前，科学家人已经开发出很多纳米材料用于肿瘤的热疗，如磁性纳米材料在交变磁场的作用下产生热量来治疗肿瘤；在激光的照射下，碳纳米管[8]、氧化石墨烯[9]、不同形状的金纳米材料（如金纳米棒、金纳米笼等）[10-11]、硫化铜[12]等等能将光能转化为热能，从而杀死癌细胞。
2.纳米材料在光热治疗中的应用
金纳米材料随其形状和尺寸的改变，其物化性质也随之改变。其中金纳米棒、金纳米笼、金纳米球壳材料等因其独特的物化性能而在生物医学领域有着广泛而重要的应用前景，尤其令人感兴趣的是其光学性质，特别是其近红外消光特性，即表面电子的等离子共振响应（Surface Plasmon Resonance，SPR），其吸收峰在可见光区至近红外光区之间可调。近红外区（800~1200 nm）是机体组织的透过窗口，近红外光在机体组织透过率最高，与其它波段光相比对人体损害最小，寻求在近红外光区有良好光学特性的材料用于生物医学领域一直是人们的理想选择。基于纳米金近红外光热转换功能，出现了一种新型肿瘤光热疗法—纳米金介导的近红外线（Near-infrared Ray，NIR）热疗。2003年美国Rice大学的J.Halas教授组报道了将金纳米球壳材料包覆SiO2与人乳腺癌细胞一起进行体外培养，近红外激光辐照使细胞发生不可逆的热损伤，磁共振成像引导的体内动物实验也得出了类似的结果，之后他们又进行了金纳米球壳材料热消融治疗肿瘤、金纳米球壳与特异性抗体结合免疫靶向治疗肿瘤等一系列研究，自此纳米金介导的近红外热疗治疗肿瘤成为国际医学界研究的焦点[2]。
光热治疗的纳米材料分为三种：1）传统的有机化合物，如吲哚菁绿，聚苯胺。缺点是低光热转换率和严重光漂白。2）碳纳米材料，如碳纳米管，石墨烯，还原性石墨烯。3）贵金属纳米材料，如gold nanoshells ，nanorods，nanocages，hollow nanospheres 等。下面将会对贵金属包被的碳纳米管、金纳米棒、硫化铜纳米复合物、氧化石墨烯、
金纳米笼等在肿瘤的光热治疗的应用进行详细介绍。
2.1 碳纳米管
碳纳米管，特别是单壁碳纳米管（SWNTs），吸引了在生物医学领域的重大兴趣，因为其在在生物检测，药物运输，光疗和生物医学成像等领域具有潜在的应用。由于单壁碳纳米管独特的一维（1-D）的结构，单壁碳纳米管因其尖锐的电子态密度在范霍夫奇点具有很强的共振拉曼散射。在活细胞中的单壁碳纳米管的拉曼成像最初由海勒等人在2005年报告，体内拉曼成像已经由Zavaleta等人在2008实现[13]。
刘庄教授课题组[13]研究的贵金属修饰的单壁碳纳米管在表面增强拉曼成像及光热治疗的应用（图2.1），研究中，通过一种由金种连接、金种生长及表面修饰所组成的液相中原位合成的方法，在DNA修饰的单壁碳纳米管上原位生长金或银纳米粒子,得到能够稳定存在于生理环境中的SWNT-Au-PEG和SWNT-Ag-PEG复合物。由于表面修饰的金或银纳米粒子的存在，单壁碳纳米管-金属复合物表现出优异的浓度及激发光源依赖的表面增强拉曼效应。连接好叶酸靶向分子的SWNT-Au-PEG-FA复合物与目标癌细胞共同培养后，可实现快速的拉曼成像，其成像时间与传统SWNTs探针相比大为缩短。图2.1贵金属纳米粒子通过种子生长在共价官能化的单壁碳纳米管上。图2.2 目标癌细胞的光热治疗(a) 808 nm 激光照射下三种试样的温度曲线. (b) SWNT-Au-PEG-FA,SWNT-Au-PEG, SWNT-PEG-FA, and SWNT-PEG处理KB 细胞时相对的细胞存活率（有或无激活照射）(c?f) 光学显微镜下的成像，KB 细胞分别与SWNT-PEG (c), SWNT-PEG-FA (d), SWNT-Au-PEG (e), or SWNTAu-PEG-FA (f)孵育。（绿色，活细胞）/（红色，死亡细胞）。
2.2金纳米棒
Emelianov 研究组[14]将金纳米棒同时用于光声成像和光热治疗（见图2.3）。图2.3
图2.1单壁碳纳米管种子生长复合物的反应图
图2.2 Opticalmicroscopy images of trypan blue stained KB cells after being incubated with SWNT-PEG (c), SWNT-PEG-FA (d), SWNT-Au-PEG (e), or SWNTAu-PEG-FA (f), and then exposed to the laser irradiation. The nanotube concentration was 5 nM in all above samples. (g ?j) Confocal fluorescence images of calcein AM (green, live cells)/propidium iodide (red, dead cells) costained KB cells bearing the same PTT treatment as that in parts c ?f.
（a）是金纳米棒的透射电镜照片，（b）是肿瘤组织的超声成像和光声成像结果，（c）是热成像结果照片。图2.4左图是这种纳米复合材料的合成过程，其是由超顺磁性氧化铁@SiO2核，通过静电相互作用自组装GNRs，然后外涂一层薄的SiO2使系统更稳定。最后，外层的SiO2氨基化，再修饰上叶酸，使此复合物具有靶向性。右图是光热治疗后的相对细胞存活率。
图 2.3（a）金纳米棒透射电镜照片（b）肿瘤组织超声成像和光声成像结果（c）热成像照片
图2.4左图是这种纳米复合材料的合成过程。右图是光热治疗后的相对细胞存活率。
2.3 硫化铜亚微米超结构
胡俊青教授课题组[12]开发的一种基于硫化铜(CuS) 亚微米超结构光热转换材料。利用水热法制备的亲水性硫化铜(CuS) 超结构具有增强光吸收能力的特性，大幅度地提高了980 nm激光的吸收效率，进而使光热转换能力得到了很大的提高；激光照射过程使用的激光强度（0.51 W/cm2 ）远低于美国规定的980 nm激光的人体皮肤安全使用标准
（~ 0.76 W/cm2）。重要的是，体外和体内试验都证明了该超结构材料在肿瘤的光热治疗上非常有效。而毒性试验证明了该材料具有较低的毒性。值得注意的是，与传统的光热材料，如Au 纳米棒、Au纳米空心球和碳纳米管等相比，该CuS亚微米超结构材料具有低成本、低毒性、高光热转化效率的特点，因而在癌症的治疗方面有重要的研究意义和光明的应用前景。
胡俊青教授课题组[15]合成亲水性盘状Cu9S5纳米结构，其平均大小约为70 nm ×13 nm，能更好的在生物体内应用。在近红外区(650 ~ 1100 nm)，浓度为40 ppm的Cu9S5水溶液有很强的吸收，在功率为0.51 W/cm2的980nm激光辐射7 分钟，可使溶液温度升高15.1 °C。重要的是其光热转换效率高达25.7%，这比已经报道的金纳米壳（13%）、金纳米棒（21%）以及Cu2-xSe（22%）等其它材料光热转换效率都高，如此高的的光热效应能有效地将生物活体内的癌细胞杀死。如图2.5所示的Cu9S5结构，图2.6光热治疗时的温度变化。
图2.5亲水性的Cu9S5 NCs合成机理
图2.6 (a) Temperature elevation of the pure water and the aqueous dispersion of Cu9S5
NCs with di ff erent concentrations(1.2, 2.5, 5.0, 10, 20, and 40 ppm) as a function of
irradiation time (0-7 min). Pure water was used as a control, and room temperature was
25 _C. (b) Plot of temperature change (ΔT) over a period of 7 min versus the
concentration of the Cu9S5 NCs'
2.4 金纳米笼
夏幼南教授组[16]利用金纳米笼作为抗癌药物和酶的载体，在激光照射下，可以有效地控制药物和酶的释放。同时金纳米笼具有光热治疗作用（见图 2.7）。图 2.7（a）是金纳米笼可控释放系统的示意图。（b）是对应的透射电镜照片，（c）是细胞存活率结果，结果表明装载DOX 的金纳米笼治疗效果比单纯的金纳米笼效果要好。（d）是酶释放的曲线，随激光照射时间的延长，释放的酶的量逐渐增加。
图1-16 （a）金纳米笼可控释放系统的示意图；（b）金纳米笼的透射电镜照片；（c）细胞
存活率结果；（d）酶释放的曲线
3.总结与前景
针对肿瘤的治疗与分离这一临床问题，目前的纳米诊疗剂具有广泛应用前景。纳米诊疗剂的构建是以纳米材料为前提，合成大小均一，形貌可控的纳米材料是推动纳米科学和纳米技术发展的关键。目前，该技术已应用于多模式成像中的光热成像，金属纳米材料的近红外吸收功能，是一种理想的红外断层成像的显影剂，这种成像技术可以利用吸收或散射的光形成图像。另外，金属纳米材料可将吸收的光能转化为热能，使局部
范围内的温度升高，以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤组织的生长或与抗肿瘤药物一起使用，提高药效，达到治疗目的。
对纳米材料的大小，形状进行控制，或者进一步功能化减少其药物毒性，使其具有更好的药物运输作用或成为成像显影剂，用于癌症的预防、诊断、影像和治疗，造福于全人类。
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碳纳米材料综述
碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月
碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料
材料导论碳纳米管综述
姓名：欧阳一鸣学号：2013012532 班级：高材 1313
潜在的碳纳米管场效应晶体管的模拟电路 介绍 在集成电路晶体管的指数增长摩尔定律所描述的内容持续了近一个半世纪 里。然而,2010年的国际半导体技术发展路线图预测增长将减缓到2013年底。 这主要是因为互补金属氧化物半导体（CMOS的比例正迅速接近其物理限制带来了许多障碍，如更高的亚阈值传导，栅氧化层和结泄漏增加，低输出电阻和跨导，增加热量生产。这使得半导体行业探索不同的材料和设备更加超越摩尔定律（如通过创造ITRS）。在这些材料和器件研究，碳纳米管场效应晶体管（CNFET） 已经获得了，因为它们规模小，流动性高，近弹道输运，大电流密度和较低的固有电容。自推出CNFETs该研究已主要重点对他们的数字电路使用。甚至中等规模薄流明碳纳米管（CNT的集成电路已报告了灵活塑料基板。然而，开/关比（也称为噪声余量）通常很小对于目前制造CNFETs因为存在金属碳纳米管［， 因此需要更多的调查，他们用于数字电路。与此相反，CNFETs具有更多潜在用 于高性能模拟电路，其中所述晶体管不需要充分关闭。此外，特性perform-ANCE 度量类似物或RF晶体管是更适合材料和碳纳米管的设备性能和制造tol-era nces ，也可以更轻松得的。 CNFETS础知识 场效应管的结构和MOSFE样的CNFETs 在传统的MOSFET源区和漏区是由两个重掺杂区中的硅衬底形成，并且栅极由多晶硅材料，其是绝缘的形成从基板由薄的二氧化硅层。如果电压被施加到 栅极端，下方的连续信道栅极形成用于电流流动的源极和漏极之间。 另一方面为CNFETs栅极，源极和漏极接触由像铬或钨金属与 4.5电子伏特的功函数。H是金属接触的高度，L是长度。值得一提的是，出两种类型CNFETs 即肖特基势垒和MOSFE等的，选择后者，因为它具有较高的离子/IOFF比率，过渡频率f 低的，更低的寄生电容，更好的AC性能和更高的制造可行性。在MOSTFE样的CNFE■之间的电流源和漏接触使用碳纳米管。根据贝壳的数量形成管状结构这些碳纳米管可以作为折叠见石墨烯成管状结构，可以单壁和多壁。单壁碳
纳米材料的制备方法
1化学气相沉积法 1.1化学气相沉积法的原理 化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition (CVD) )是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。化学气相沉积方法实际上是化学反应方法，因此。用CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，而且即使是高熔点物质也可以在很低的温度下制备。 用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料、包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式，选择适当的制备条件——基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜构料。化学气相沉积的化学反应形式．主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。 化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。 化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别的碳源气体，如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米管；使用含钴催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管；过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钴合金相比较更容易制得单壁碳纳米管。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属铽与铁混合，可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而，包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T 等[5]讨论了以铁分散的二氧化硅为基体，乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生长机理，并提出了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等[6]提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳米管阵列的方法。该法以沸石为基体，以钴和钒为催化剂，仍是以乙炔气体为碳源。Pna Z W等[7]以乙炔为碳源，铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管阵列。 1.2评价 化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相沉积法缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。总之，随着纳米材料制备技术的不断完善，化学气相沉积法将会得到更广泛的应用。
纳米材料的自组装综述
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
纳米磁性材料的制备和研究进展综述教案资料
纳米磁性材料的制备和研究进展综述 一．前言 纳米材料又称纳米结构材料 ,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料 (1-100 nm) ,或由它们作为基本单元构成的材料 ,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系。磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。因此 ,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。 司马迁《史记》记载黄帝作战所用的指南针是人类首次对磁性材料的应用。而今纳米磁性材料广泛应用于生物学，磁流体力学，原子核磁学，机体物理学，磁化学，
天文学，磁波电子学等方面。随着雷达、微波通信、电子对抗和环保等军用、民用科学技术的,微波吸收材料的应用日趋广泛 ,磁性纳米吸波材料的研究受到人们的关注。纳米磁性材料也对人们的生产与生活带来诸多的利益。 本次综述，主要针对磁性纳米材料的制备方法和研究进展两个问题进行阐述。首先，介绍磁性纳米材料的发展历史，可以追溯到黄帝时期。其次，介绍磁性纳米材料的分类。------再次，重点介绍磁性纳米材料是怎么制备的。其制备方法一般分为三大类：1.由上到下，即由大到小，将块材破碎成纳米粒子，或将大面积刻蚀成纳米图形等。2.由下到上，即由小到大，将原子，分子按需要生长成纳米颗粒，纳米丝，纳米膜或纳米粒子复合物 3. 气相法、液相法、固相法等。第四、介绍磁性纳米材来噢的现状和发展前景。最后，将全文主题扼要总结，并且找出研究的优缺点和差距，提出自己的见解。 二、主题 1、纳米磁性材料的发展史 磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，磁性是物质的基本属性之一。人们对物质磁性的认识源远流长，早在公元前四世纪,人们就发现了天然的磁石(磁铁矿Fe3O4),，据传说，那是黄帝大战蚩尤于涿鹿，迷雾漫天，伸手不见五指，黄帝利用磁石指南的特性，制备了能指示方向的原始型的指南器，遂大获全胜．古代取其名为慈石，所谓“慈石吸铁，母子相恋”十分形象地表征磁性物体间的互作用。人们对物质磁性的研究具有悠久的历史,是在十七世纪末期和十八世纪前半叶开始发展起来的。1788年,库仑(Coulomb)把他的二点电荷之间的相互作用力规律推广到二磁极之间的相互作用上。1820年,丹麦物理学家奥斯特(Oersted)发现了电流的磁效应;同年法国物理学家安培(Ampere)提出了分子电流假说,认为物质磁性起源于分子电流。
纳米材料的制备方法及其研究进展
纳米材料的制备方法及其研究进展纳米材料的制备及其研究进展 摘要:综述了纳米材料的结构、性能及发展历史;介绍了纳米材料的制备方法及最新进展;概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景;讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。 关键词:纳米材料;结构与性能;制备技术;应用前景;研究进展 1 引言 纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，微粒具有壳层结构。由于微粒的表面层占很大比重，所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界面，晶界原子达15%-50%。 这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应，量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值，美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年纳米微粒的制备方法 1 纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。 1.1 物理方法 1.1.1 蒸发冷凝法
又称为物理气相沉积法，是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控;但技术设备要求高。根据加热源的不同有: (1)真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛(Ar,He)下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法，研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2 陶瓷材料。这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。特点:粒径可控，纯度较高，可制得粒径为5~10nm的微粒。但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。 (2)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子是利用高压气体雾化器将-20~-40OC的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流是以高频线圈为热源，使坩埚是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。特点:微粒纯度较高，粒度均匀，是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法，同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。但离子枪寿命短、功率小、热效率低。目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。 (6)电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材，成功地获 得了表面非常洁净的纳米微粒，母材一般选用该金属的氧化物，如用电子束照射 Al2O3 后，表层的Al-O 键被高能电子“切断”，蒸发的Al原子通过瞬间冷凝，形核、长大，形成Al的纳米微粒，但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳 米微粒。 1.1.2 物理粉碎法
三维纳米材料制备技术综述
三维纳米材料制备技术综述 摘要：纳米材料的制备方法甚多。目前，制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集，并控制聚集微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。本文主要介绍纳米材料分类和性能，同时介绍了一些三维纳米材料的制备方法，如水热法、溶剂热法和微乳液法。 关键词：纳米材料；纳米器件；纳米阵列；水热法；溶剂热法；微乳液法 1.引言 随着信息科学技术的飞速发展，人们对物质世界认识随之也从宏观转移到了微观，也就是说从宏观的块体材料转移到了微观的纳米材料。所谓纳米材料，是材料尺寸在三维空间中，至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料。如果按照维度的数量来划分，纳米材料的的种类基本可以分为四类：（1）零维，指在空间中三维都处在纳米尺度，如量子点，尺度在纳米级的颗粒等；（2）—维，指在空间中两个维度处于纳米尺度，还有一个处于宏观尺度的结构，例如纳米棒、纳米线、纳米管等；（3）二维，是指在空间中只有一个维度处于纳米尺度，其它两个维度具有宏观尺度的材料，典型的二维纳米材料具有层状结构，如多层膜结构、一维超晶格结构等；（4）三维，即在空间中三维都属于宏观尺度的纳米材料，如纳米花、纳米球等各种形貌[1]。 当物质进入纳米级别，其在催化、光、电和热力学等方面都出现特异性，这种现象被称为“纳米效应”。纳米材料具有普通材料所不具备的3大效应：（1）小尺寸效应——其光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化；（2）表面效应——在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性；（3）宏观量子隧道效应，例如纳米微粒表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性，如高强度和高韧性，高热膨胀系数、高比热容和低熔点，异常的导电率和磁化率，极强的吸波性,高扩散性，以及高的物理、化学和生物活性等[2]。 纳米科学发展前期，人们更多关注于一维纳米材料，并研究其基本性能。随着纳米科学快速发展，当今研究热点开始转向以微纳结构和纳米结构器件为方向的对纳米阵列组装体系的研究。以特定尺寸和形貌的一维纳米材料为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑纳米体系，可得到包括纳米阵
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
关于碳纳米管的研究进展综述
关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有
纳米材料文献综述
北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY 碳纳米管的性质与应用 姓名：赵开 专业：应用化学 班级： 0804 学号： 080105097 2011年05月
文献综述 前言 本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。 本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。 一、碳纳米管的性质 碳纳米管的分类 研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。 碳纳米管的力学性能 碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体，但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。 碳纳米管的电磁性能
纳米材料的发展及研究现状
纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单
元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基
纳米材料制备方法综述
纳米材料制备方法综述 摘要：纳米材料由于其特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前，各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。 关键字：纳米材料，制备，固相法，液相法，气相法 近年来，纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，具有表面与界面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米具有很多奇特的性能，广泛应用于各个领域。为此，本文综述了纳米材料制备的各种方法并说明其优缺点。 目前纳米材料制备采用的方法按物态可分为：气相法、液相法和固相法。 一、气相法 气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），在某些情况下使用其他热源获得气源，如电阻加热法，高频感应电流加热法，混合等离子加热法，通电加热蒸发法。 1、物理气相沉积（PVD） 在PVD过程中没有化学反应产生，其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。 1.1蒸气-冷凝法 此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质（如金属等），使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。此方法制备的颗粒表面清洁，颗粒度整齐，生长条件易于控制，但是粒径分布范围狭窄。 1.2溅射法 用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子．并在附着面上沉积下来。用溅射法制备纳米微粒有许多优点:可制备多种纳米金属，包括高熔
纳米材料综述 论文
纳米材料综述 1 引言 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。 1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构. 在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到l00nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。 2 纳米材料特性 一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小于100 nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米材料具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 2.1表面效应 纳米材料的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小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1 nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。 2.2小尺寸效应 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质： 1)特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于l％，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些
碳纳米管综述
碳纳米管综述 摘要：本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程，并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言：在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。 正文： 碳纳米管的制备： 碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD，以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在530℃~1130℃范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳纳米管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法
纳米材料研究综述
文章编号:1004-3888(2003)05-0397-04 纳米材料研究综述 Ξ 张万忠,李万雄 (湖北农学院环境工程系,湖北荆州434025) 摘 要:综述了纳米材料的研究概况,介绍了纳米材料的研究现状、特点、结构、特性、制备 方法及其应用状况。 关键词:纳米材料;结构与特性;制备与应用中图分类号:O157 文献标志码:A 纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受 纳米尺度调制的各种固态材料[1],其晶粒或颗粒尺寸在1～100nm 数量级,主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成,其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面(6×1025m 3/10nm 晶粒尺寸),晶界原子达15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子 结构互不相关,使得纳米材料成为介于晶态与非 晶态之间的一种新的结构状态[2]。此外,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级。高浓度界面及原子能级的特殊结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等,导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药等诸多方面具有重要价值,得到了广泛应用[3,4]。 1 纳米材料研究的现状与特点 1.1 纳米材料研究的现状 上世纪70年代纳米颗粒材料问世,80年代 中期在实验室合成了纳米块体材料,80年代中期以后,成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。可大致分为3个阶段;第一阶段(1990年以前),主要是在实验室探索用各种手段制备各种材 料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994年前),人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从1994年到现在),纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。 1.2 纳米材料研究的特点 (1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大 第一阶 段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。 (2)纳米材料的概念不断拓宽 1994年以 前,纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜,现在纳米结构材料的含意还包括纳米组装体系,该体系除了包含纳米微粒实体的组元,还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间基体,因此,纳米结构材料内涵变得丰富多彩。 (3)基础研究和应用研究并重 目前,基础研究和应用研究出现并行发展的新局面,纳米材料的应用成为人们关注的热点,纳米材料进入实用阶段,纳米材料及相应产品开始陆续进入市场。 Ξ 收稿日期:2003206206 第一作者简介:张万忠(1965-),男,河南罗山县人,理学硕士,湖北农学院环境工程系副教授. 第23卷 第5期Vol.23No.5 湖 北 农 学 院 学 报 Journal of Hubei Agricultural College 2003年10月Oct.2003
碳纤维和碳纳米管的一篇综述
Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetrating composite of silver nanowires and polyurethane Weili Hu, Xiaofan Niu, Ran Zhao, and Qibing Pei Citation: Appl. Phys. Lett. 102, 083303 (2013); doi: 10.1063/1.4794143 View online: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/10.1063/1.4794143 View Table of Contents: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/resource/1/APPLAB/v102/i8 Published by the American Institute of Physics. Additional information on Appl. Phys. Lett. Journal Homepage: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/ Journal Information: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/about/about_the_journal Top downloads: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/features/most_downloaded Information for Authors: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/authors Downloaded 09 Apr 2013 to 210.34.5.240. This article is copyrighted as indicated in the abstract. Reuse of AIP content is subject to the terms at: https://www.360docs.net/doc/8612655337.html,/about/rights_and_permissions