项目名称：高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其
在磁性电子器件中的应用
首席科学家：薛德胜兰州大学
起止年限：2012.1至2016.8
依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容
本项目根据电子信息技术中对GHz频段的高性能、微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件用高频磁性纳米材料的迫切要求，通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，突破Snoek理论极限的制约，探索提高磁性纳米材料高频性质的新机制，突破传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的瓶颈，获得1-5 GHz波段内高磁导率的高频磁性纳米材料；并针对高频磁性纳米材料在1-5 GHz电子信息传输和近场抗电磁干扰技术中的具体应用，探索保持优良高频磁性基础上的电磁匹配机制，突破电磁波的连续介质理论，设计并实现具有良好电磁匹配的可工作在1-5 GHz的微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件。
针对GHz频率下，同时提高磁性纳米材料的共振频率和磁导率，以及获得优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件，拟解决的关键科学问题包括：
●自然共振机制下，同时提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及双
各向异性控制下大幅度调控高频磁性的机制及磁化强度的动力学过程。
●非自然共振机制下，提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及有效
各向异性和体积共同作用下的超顺磁阻塞共振频率对高频磁性的影响机制。
●描述磁性纳米材料电磁性质的有效理论，以及核/壳结构的形态、相构成和
各相的体积分数对新型磁性/介电纳米材料的高频电磁耦合机制和匹配关系的宽范围调控机制。
●分离介质对电磁波传输特性的影响机制，以及高性能薄膜电感和抗电磁干扰
器件的设计理论和器件研制。
主要研究内容包括：
●以高饱和磁化强度M s的铁基和钴基铁磁金属及合金为基础，制备磁性纳米
薄膜、颗粒膜及多层膜。通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性。通过薄膜的微结构优化，降低矫顽力H c，提高磁导率 ；改变面内各向异性，探索大范围调控磁性纳米薄膜高频磁性的规律。
●制备线度比（aspect ratio）大的片状软磁纳米颗粒，调整静态磁矩分布在薄
片平面内，利用形状调控垂直片状纳米颗粒平面的各向异性场，用磁场热处理、应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内产生和调节各向异性场。研究这两个各向异性场的比值与材料高频磁性的关系。寻找大幅度提高双各向异性片状磁性纳米颗粒的规律，探索提高高频磁性的新机制。
●采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的
铁基磁性纳米颗粒；通过种子法和反向胶束法在铁基磁性纳米颗粒的表面包覆致密的保护层，制备稳定的核壳结构磁性纳米颗粒。通过调控纳米颗粒的尺寸、形状、颗粒间距，研究单分散磁性纳米颗粒的高频性质，探索提高阻塞共振频率的方法和机制。
●利用微纳加工技术，设计、加工各种典型形状且尺寸可控的纳米结构材料；
利用软刻蚀技术与自组装技术相结合的方法，在不同的基底表面加工各种高分子图形，将磁性纳米颗粒、纳米线组装到基底的表面，成为高度有序的纳米图形结构。探索形状各向异性对各向异性对称性的调制，研究这些有序结构的高频性能和结构参数的关系。
●利用等离子体溅射惰性气体冷凝纳米粒子束流法以及等离子体电弧法制备
尺寸可控的磁性金属或合金纳米颗粒；在诱导磁场下通过原位表面氧化纳米颗粒制备核/壳结构的复合材料；在诱导磁场下制备磁性合金纳米颗粒与绝缘介质(非磁或弱磁)双相纳米复合材料；研究磁性纳米颗粒的尺寸大小、氧化层厚度、绝缘介质含量、后续热处理对材料高频磁性的影响。
●研究核/壳型磁性/介电纳米材料的介电氧化物壳层厚度、磁性内核尺寸、界
面结构、内核和壳层相种类等对材料的高频介电性和磁电耦合效应的影响，阐明各种核/壳型磁性/介电纳米材料的高频电磁特性的机理，弄清磁导率和介电常数的相互依赖关系，提出磁导率和介电常数的匹配理论，掌握调控磁导率和介电常数的关键实验参数，实现高频下宽范围的电磁阻抗匹配。
●探索纳米颗粒膜和多层膜的高共振频率、高磁导率和良好电磁匹配的工艺条
件，以及调控机理，得到在GHz频域具有优良电磁综合性能的纳米薄膜材料；
模拟微电感的工作环境，研究温度变化、工作时间、邻近绝缘或者绕组层对于非晶/纳米晶磁芯材薄膜行为的影响，并建立与之相应的动力学模型。
●研究电磁波在非连续介质中的传播、磁化强度的动力学过程、阻尼的产生和
变化机理；进行集成电感、抗电磁干扰（EMI）薄膜器件设计；利用微电子工艺实现GHz下的典型器件，探索利用磁性纳米薄膜研制高性能薄膜电感和抗电磁干扰器件的条件，探索抗电磁干扰薄膜电感集成器件在复杂电磁环境下的特性变化规律。
理论上，研究不同各向异性对称性下的磁化强度动力学过程，寻找自然共振机制下高频高磁导率的最优机制；研究磁性颗粒的大小、颗粒间交换耦合以及偶极相互作用对超顺磁阻塞频率和磁导率的影响规律，寻找非自然共振机制下的高频高磁导率机制；研究不同形状和相比例的磁性/介电纳米颗粒复合体系对电磁波的散射，探索纳米复合体系的有效介质理论，寻找新的电磁匹配机制。
二、预期目标
本项目的总体目标：
解决传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的问题和电磁匹配问题，真正实现磁性纳米材料在1-5 GHz微波频段电感类磁性电子器件和抗电磁干扰器件中的应用，为电子信息技术的大集成提供可能。通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，探索突破Snoek理论极限的新方法和新途径，寻找提高磁性纳米材料高频性质的新机制；建立描述磁性纳米材料高频性质的新理论，探索在GHz频段内具有高磁导率的高频磁性纳米材料的调控机制，通过纳米复合实现优异高频磁性基础上良好电磁匹配；利用以上磁性纳米材料，实现优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件的微型化，满足现代通讯和计算机对电子器件高频化和集成化的要求，同时解决因信息处理频率的提高而带来的器件之间严重近场电磁干扰问题，为我国的信息通讯、国防安全、航空航天等领域探索新材料和新技术。
五年预期目标:
1、阐明突破Snoek理论极限的可能机制，建立高共振频率和高磁导率的双各向
异性新理论；探索不同频率下磁性纳米材料中磁化强度在自然共振和非自然共振机制下的动力学过程物理图象，建立高频磁性的调控机制；探索纳米材料介电常数调控机制，建立纳米复合系统的电磁匹配理论；研究电磁波在非连续介质中的传播，奠定微波频段下微型化磁性器件设计的理论基础。
2、发展大范围调整磁性纳米材料的双各向异性新方法，获得共振频率在1-5
GHz、高频磁导率>200的软磁薄膜材料，实现同一材料的高频磁性本征参数为Snoek极限值的5-10倍；发展大规模制备尺寸和形状均匀可控的单分散磁性纳米颗粒技术，实现高度有序的磁性纳米颗粒和纳米线的组装，使其截止使用频率提高近5 GHz以上；发展磁性金属/氧化物复合体系，实现高频磁性纳米材料的电磁阻抗匹配，研发1-5 GHz电感量>30 nH，品质因子Q>18的典型磁性薄膜电感，以及带宽为10 MHz-5 GHz，噪音抑制 30dB的吸收式或L-C 式抗电磁干扰器件，实现面积降低一个量级的近场抗电磁干扰薄膜电感。
3、项目执行期间培养出3-4名在国际上有一定影响的学术带头人，形成一支具
有开拓创新精神，具有国际竞争力，能胜任国家重大科研任务和参加国际学
科前沿竞争的高频磁性纳米材料研究队伍。申请专利20余项，发表高水平论文100余篇，培养博士后10余人，博士100余人。
三、研究方案
1、实现项目五年预期目标的总体研究思路
1）通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，调控双各向异性，大幅度提高磁性纳米薄膜的共振频率和微波磁导率；2）通过调节超顺磁颗粒尺寸和颗粒间相互作用，提高阻塞共振频率来提高截止使用频率；3）通过调控高频磁性纳米材料的复合介质类型和耦合方式，实现对介电常数的宽范围调控，达到电磁匹配的目的；4）利用高频电磁性质来源于纳米尺度的调控，通过电磁波在分离介质中传播规律研究，设计并实现高性能薄膜电感的微型化和近场抗电磁干扰一体化；5）从微波电磁场在磁性纳米材料中传播的非线性效应和磁化强度在不同各向异性空间对称性系统中的动力学过程出发，预测不同纳米体系的高频性质，探索新的高频电磁特性机制。
2、技术途径：
本项目的实验方案和技术途径可分为：
1）高频磁性纳米材料及纳米结构的可控制备
利用射频磁控溅射、离子束沉积和分子束外延技术制备一系列高磁导率的磁性纳米薄膜、颗粒膜及多层膜，通过工艺条件的变化（气压、基底温度等），施加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎和衬底修饰等手段以及后期磁场热处理控制晶粒大小、形状和空间分布。采用高温有机液相还原法和热分解法等合成尺寸均一、不同形状的单分散铁基磁性纳米颗粒，利用种子法和反向胶束法在铁基磁性纳米颗粒的表面包覆保护层，形成具有核壳结构的磁性纳米颗粒。采取软刻蚀技术与自组装技术相结合的方法将各种磁性纳米颗粒、纳米线组装到适当的基底的表面，成为高度有序的阵列图形结构。利用等离子体溅射惰性气体冷凝纳米离子束流法以及等离子体电弧法制备尺寸可控的磁性金属或合金纳米颗粒，通过原位氧化或后期复合形成磁性金属纳米颗粒/绝缘介质双相纳米复合材料。
2）自然共振机制下的各向异性调控及GHz高磁导率
通过磁场诱导、倾斜溅射诱导、反铁磁钉扎诱导、界面诱导等手段，利用交换耦合作用及纳米薄膜具有强形状各向异性的特点实现磁性纳米薄膜的平面各向异性；通过薄膜样品整体退磁场调控和面内各向异性调控实现高共振频率和高磁导率；针对具有立方晶体对称性的优异软磁材料（低磁晶各向异性常数K，低磁致伸缩系数 ，低矫顽力H c），通过颗粒形状控制双各向异性；利用低维结构特性和诱导磁场，调控复合磁性纳米材料的难磁化面和易磁化面内两个各向异
性场；利用各向异性空间类型对磁化强度动力学过程的控制，研究自然共振机制下高频高磁导率规律，研究高频磁性本征参数与两个各向异性场的关系。
3）非自然共振机制下磁性纳米颗粒与纳米结构材料的高共振频率利用磁性纳米颗粒的高频性质同时决定于自然共振频率和阻塞频率的特点，通过控制磁性纳米颗粒的尺寸、形状以及颗粒间距，改变颗粒间相互作用，达到调制超顺磁阻塞频率的目的，实现磁性纳米颗粒的阻塞频率高于5 GHz。利用自旋波激发的思路，探索更高频率下高磁导率的机制。
4）磁性纳米复合介质的电磁匹配
通过调节等离子体起弧电流、电压等参数来控制阳极金属蒸汽量，改变纳米颗粒的尺寸。诱导磁场下通过原位表面氧化磁性金属或合金纳米颗粒制备核/壳结构的颗粒型复合材料；在诱导磁场下制备磁性合金纳米颗粒与(弱磁)绝缘介质双相纳米复合材料，研究磁性纳米颗粒的尺寸大小、氧化层厚度、绝缘介质含量、后续磁场热处理对材料高频磁特性的影响。从而获得多种类型的具有良好电磁匹配性能的磁性/介电纳米材料。利用纳米颗粒对电磁波的散射研究复合体系的电磁匹配机理。
5）基于高频纳米磁性材料的薄膜电感和抗电磁干扰器件应用研究利用纳米颗粒膜与多层膜的高频磁性和阻抗特性可调的特点，选用高饱和磁化强度材料作为薄膜电感芯材。采用微元分析法进行不同绕线形状电感量计算，分析磁膜结构的引入对微电感物理模型及集成总参数等效电路的影响。采用溅射镀膜和光刻工艺结合的方法制作倾斜缠绕型耦合薄膜电感，并进行高频电感、品质因数和自激谐振频率测试，比较和验证不同磁性纳米薄膜芯材的电感特性，进一步优化设计。设计、制作薄膜高频噪音抑制器和L-C滤波器，进行磁谱和频谱分析，研究磁性纳米薄膜厚度、尺寸、形状和介质层对传输线的特征阻抗、信号衰减幅度和散射参数等的影响；进行传输线设计和优化，研究动态加载运行时集成电路的抗EMI特性。利用电磁波在非连续介质中的传播规律，设计新型高性能薄膜电感和抗电磁干扰器件一体化。
3、创新点与特色：
1)目前绝大多数高频磁性材料的研究主要是通过提高材料的饱和磁化强度来
提高高频磁性。我们提出利用磁性纳米材料中的双各向异性来提高高频性能的思路，并指出通过调节这两个各向异性及其比值是提高磁性纳米材料高频磁性更为有效的途径。
2)除利用自然共振原理提高高频磁性外，我们提出在超顺磁纳米颗粒中通过改
变超顺磁颗粒的尺寸，使得阻塞共振频率远高于自然共振频率，从而提高截止使用频率，这是一种新的频率调控手段和新的共振机制，有望突破传统的
球形单畴颗粒体系的截止使用频率理论极限。
3)纳米尺度下材料的各向异性具有可大范围调整的特征，可以实现大块材料不
可能达到的高共振频率和高磁导率调制范围，克服传统高频磁性材料不能同时提高共振频率和高频磁导率的缺陷。通过我们设计的技术路线和实验方案，将磁性纳米材料的高频磁性本征参数提高到Snoek理论极限值的5-10倍。
4)在调节高频磁导率和各向异性同时，采用纳米包覆或复合方式，大幅度提高
材料的电阻率；并利用磁性/介电（压电）纳米复合可实现磁导率和介电常数的双重调节，克服单一磁性纳米材料在高频下实现宽范围阻抗匹配的困难。将磁性纳米薄膜应用于薄膜电感器和抗EMI噪声抑制器中，既可以实现高电感量和高Q值的微型化薄膜电感，又可以实现其近场抗电磁干扰功能一体化。
4、取得重大突破的可行性分析：
项目组主要成员在磁性纳米材料与结构的可控制备与高频磁性的研究已有多年的积累。在国防973项目资助下研制出多种具有不同纳米结构的新型磁性纳米薄膜材料。例如，在CoNb薄膜中发现在3 GHz下磁导率可以达到100；在高电阻率的FeCoB-SiO2颗粒膜中，得到了共振频率为2 GHz，磁导率大于80的高频性能。最近，我们研究发现通过调控磁性纳米材料的易磁化面和难磁化面内双各向异性场及其比值，高频磁性的上限可以超出Snoek预测的极限，表明通过调控磁性纳米材料的各向异性类型可以大幅度提高磁性纳米材料高频性能。在磁性纳米颗粒研究中，成功制备出单分散的磁性Fe、Co纳米颗粒和Fe3O4纳米方块。初步研究发现当尺寸减小到10 nm以下时，超顺磁性阻塞共振频率可以超过自然共振频率，截止使用频率达到5 GHz附近。在磁性/介电复合纳米体系中，我们通过磁、电介质在纳米尺度的可控复合，发现可以在宽范围内实现磁导率和介电常数的调制，为实现不同目标的宽范围电磁匹配提供了可能。由于磁性纳米材料的优异电磁性能来自于纳米尺度的调控，使研制微米尺度的电子器件成为可能。因此，我们提出以上学术思路和技术路线。
本项目的依托单位，集中了磁性纳米材料的高频磁性研究在国内具有优势的兰州大学和中国科学院物理研究所、磁性纳米材料的电磁匹配研究在国内具有优势的厦门大学和中国科学院金属研究所、以及磁性电子器件研究在国内具有优势的电子科技大学，五家单位拥有目前国际上先进、国内最齐全的磁性纳米材料制备、结构、成份表征、物性测量设备；完备的颗粒体系高频性能表征设备、世界上为数不多的纳米薄膜高频磁性测试装置；较完整的电子器件研发设施。结合已有的工作基础和本项目的特色，完全具备取得重大突破的可能性。
5、课题设置
课题1 ：双各向异性磁性纳米材料的高频磁性
预期目标：
发展大范围调整磁性纳米材料双各向异性的直接制备技术，获得共振频率在1-5 GHz、微波磁导率>200的软磁薄膜材料，实现高频磁性本征参数比传统的Snoek极限值增大5-10倍。
主要研究内容：
（1）以高饱和磁化强度的铁、钴基铁金属及合金为基础，通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，以及磁场回火后处理在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性；研究界面效应和纳米相耦合等对其磁各向异性的影响，探索各向异性的主要来源，以及提高自然共振频率的各向异性类型。
（2）通过纳米薄膜、颗粒膜及多层膜的微结构优化，使薄膜中磁性纳米晶粒/颗粒间发生交换耦合，研究薄膜静态磁性，如矫顽力、静态磁导率、饱和磁化强度及磁矩微观分布。利用Herzer的无规各向异性模型，研究交换耦合对面内各向异性调控、克服自身退磁效应、降低矫顽力及提高磁导率的机制。
（3）利用形状磁各向异性产生双各向异性。制备线度比大的片状软磁纳米颗粒，利用旋转磁场制备取向样品，调整静态磁矩分布在薄片平面内；用磁场热处理，应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内调节各向异性场；研究形状各向异性产生的双各向异性对高频磁性的调控。研究双各向异性及其比值对高频磁导率和共振频率乘积关系的影响规律，探索提高高频磁性本征参数的途径。
（4）利用磁化强度转动磁化曲线法获得精确的各向异性、易磁化方向和磁化反磁化过程，利用振动样品磁强计获得样品的宏观磁性，利用磁力显微镜研究磁畴分布，并利用穆斯堡尔谱分析薄膜样品的磁矩分布特征和超精细相互作用等微观磁性信息。
（5）利用微带线法研究薄膜的共振频率、高频磁导率和薄膜样品的饱和磁化强度，研究面内各向异性和交换耦合对磁性纳米薄膜材料高频磁性的影响，探索宽范围调制共振频率和高频磁导率的途径。利用COMSUL（微波频段电磁场仿真）模拟技术研究微波下磁化强度的动力学过程，为高共振频率和高磁导率机制研究提供依据。
承担单位：兰州大学
课题负责人：薛德胜
学术骨干：李发伸、王建波、贾成龙、范小龙、蒋长军
课题在整个项目经费中所占比例：28.7%
课题2 ：单分散磁性纳米颗粒的高频磁性
预期目标：
发展可大规模制备具有尺寸和形状可控的单分散磁性纳米颗粒技术，实现磁性纳米颗粒和纳米结构单元的大面积有序组装，使磁性纳米颗粒的截止使用频率提高到近5 GHz。
主要研究内容：
（1）通过人工设计，在与微电子兼容的Si、Ge、GaAs衬底上，利用原子表面再构和应力，通过分子束外延可控生长大面积均匀的磁性金属纳米点有序阵列。采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的铁基磁性纳米颗粒；通过种子法和反向胶束法在铁基磁性纳米颗粒的表面包覆致密的保护层，制备稳定的核壳结构磁性纳米颗粒。
（2）采用软刻蚀技术，在不同的基底表面加工各种高分子图形，通过真空沉积、化学沉积、刻蚀等手段实现在基底表面构筑高度有序的磁性材料的线条、点阵等纳米尺度图形。利用软刻蚀技术与自组装技术相结合的方法将各种磁性纳米颗粒、纳米线组装到适当的基底上，获得具有不同各向异性的高度有序纳米图案结构。
（3）利用SQUID（超导量子干涉仪）、PPMS（多参数物性测量系统）、ESR(电子自旋共振)、M?ssbauer（穆斯堡尔）谱和矢量网络分析仪等手段对磁性纳米颗粒的静态磁性及动力学磁化过程进行研究，计算和模拟磁性纳米颗粒的性质，探索磁性纳米颗粒的磁化规律，完善磁性纳米颗粒的磁化机理，揭示图案结构（如图形形状，长宽比，间距等）与材料高频磁性能之间的关系。
（4）通过调控纳米颗粒的尺寸、形状、颗粒间距，研究单分散磁性纳米颗粒及其有序阵列的高频性质，探索提高阻塞共振频率的方法和机制；通过改变磁性颗粒的组分，同时调控磁导率和介电常数，得到不同特征阻抗的磁性纳米颗粒材料，为磁性纳米颗粒材料在高频电感和抗电磁干扰器件中的应用打下基础。
承担单位：中国科学院物理研究所、兰州大学
课题负责人：朱涛
学术骨干：杨海涛、张浩力、李庆安
课题在整个项目经费中所占比例：25.3%
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 （一）生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素 -生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（ 1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
纳米材料的化学性质 摘要：本文主要阐述了纳米材料比表面积的特征结构，及由其结构而导致的独特的化学性能， 并讲述了纳米材料化学性能在催化剂方面的实际应用。 关键字：纳米材料纳米纳米化学纳米材料的应用纳米催化剂 Summary:This text mainly elaborated the Na rice's material accumulates than the surface of characteristic structure, and from its structure but cause of special chemistry function, and related the Na rice material chemistry function's actual application in catalyst. Key word:The applied Na rice of the Na rice material Na rice Na rice chemistry Na rice material catalyst 纳米微粒独特的比表面积 人们通常把粒径分布在1~100nm 的细微粒子称为纳米粒子,纳米粒子 的集合体称为纳米粉末。纳米粒子的 尺寸与化学中胶体粒子大致相当,介 于原子、分子与块状物体之间,用肉 眼或性能最优良的光学显微镜均无法 辩认,但可借助电子显微镜观察。纳 米粒子的比表面积是纳米微粒一个非 常重要的参数。 球体颗粒的表面积与直径的平方成正 比，其体积与直径的立方成正比，故 其表面积与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的 百分数将会显著增加。对直径大于0.1um的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1um 时，其表面原子百分数急剧增加，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达100平方米. ③ 纳米微粒的团聚 由于纳米微粒的比表面积大，表面能升高。如铜粉，粒度为100um时，每克的比表面 积为4.2×10∧3平方厘米，当它的粒度为1um时，4.2×10∧5平方厘米，大了100倍，表 面的原子数所占的比例也大大增加了，因而其表面活性增强，粒子之间的吸引力增加④。 团聚颗粒结构图⑤ 纳米微粒在团聚前后表面自由能的变化<0，可 见，团聚使系统自由能减少，根据热力学定律，纳 米微粒从分散向团聚变化是不可逆的、自发的过程。 在纳米微粒形成过程中，表面往往带有静电，这种 粒子极不稳定，在微粒的相互碰撞过程中，它们很 容易团聚在一起形成表面能较低的、带有弱连接界 面的、尺寸较大的团聚体。纳米微粒制备时，颗粒 间的范德华力远大于微粒本身的重力，他们的化学 键造成的粘附，对纳米微粒的制备造成了困难。
纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和
关于磁性纳米材料的研究应用 文献综述 姓名：于辉 学号：2013155048 学院：理学院 专业：材料化学 年级：2013级
关于磁性纳米材料的研究应用 【前言】 磁性纳米材料的应用可谓涉及在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域的应用前景，纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。 下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品[1]。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 磁性纳米材料由于其独特的磁学性能、小尺寸效应，在化学设计与合成、表面功能化方法,及其在核磁共振成像、磁控治疗、磁热疗和生物分离等领域都有应用[2]。
【磁性纳米材料的发展历程和现状】 （一）关于磁性纳米材料 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(1-100nm),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,因此,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性，而纳米磁性材料和纳米磁性又分别是纳米科学技术和纳米物性的一个组成部分。 （二）关于颗粒磁性的研究 颗粒的磁性，根据磁畴理论与实验表明:当磁性微粒处于单畴尺寸时,矫顽力将呈现极大值[3]。铁磁材料,在应用上,可以作为高矫顽力的永磁材料和磁记录材料。由于颗粒磁性与其尺寸有关,若尺寸进一步减小,颗粒将在一定的温度范围内将呈现出超顺磁性。利用微粒的超顺磁性,提出了磁宏观量子隧道效应的概念,并研制成了磁性液体。非晶态磁性材料的诞生为磁性材料增添了新的一页,也为纳米微晶磁性材料(纳米微晶软磁材料、纳米复合永磁材料)的问世铺平了道路。（三）磁性纳米材料的特点和制备方法[4] 磁性纳米材料有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应的特点。 制备方法： <1>磁流体的制备方法 物理法：研磨法、热分解法、超声波法。 化学法：化学沉淀法、水热法。 <2>磁性微粒的制备方法 分散法、单体聚合法。 <3>纳米磁性微晶的制备方法 非晶化法、深度塑性变形法。 <4>纳米磁性结构复合材料的制备方法 溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、磁控溅射法和激光脉冲沉积法。 （四）磁性纳米材料的应用范围[4] 磁记录方面的应用、纳米永磁材料方面的应用、纳米软磁材料方面的应用、纳米吸波材料领域的应用、生物医学领域的应用、金属有机高分子磁性材料方面的应用。
纳米材料应用的新进展 来源：全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数， 理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀
纳米材料的热学性质 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。 1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。 2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小， 二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和熔解焓建立的块体材料的熔解温度(有时称熔点) 熔解焓(或称熔解热)和熔解熵一般是常数，但对于纳米材料则非如此实验表明:纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸。 四反应体系的化学平衡 利用纳米氧化铜和纳米氧化锌分别与硫酸氢钠溶液的反应，测定出不同粒径，不同温度时每个组分反应的平衡浓度，从而计算出平衡常数，进而得到化学反应的标准摩尔吉布斯函数;通过不同温度的标准摩尔吉布斯函数，可得化学反
磁性纳米材料的研究进展 Progress of magnetic nanoparticles 李恒谦﹡贾雪珂李艳周康佳 （合肥工业大学，安徽宣城） （Hefei University of Technology, Xuancheng, Anhui, China) 摘要：纳米技术是近年来发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的科学领域。而磁性纳米材料因其优异的磁学性能，也逐渐发挥出越来越大的作用。随着科学工作者在制备、应用领域的拓展逐渐深入，也使得纳米材料的外形、尺寸的控制日趋完善。因此，磁性纳米材料在机械、电子、化学和生物学等领域有着广泛的应用前景。文章综述磁性纳米材料的制备方法、性能及其近年来在不同领域的应用状况。 关键词：磁性；纳米；制备；性能；应用 Abstract: Nanotechnology is developed in recent years as a kind of science with wide coverage and multidisciplinary. Magnetic nanoparticles also play an increasing role due to its excellent magnetic properties．As scientists research take them deeper along the aspects of synthesis and application．the control of shape and dimensions of magnetic nanoparticles has become more mature．Therefore, magnetic nanoparticles have wide application propects in machinery, electronics, chemistry, biology, etc. In this paper，the synthesis method is discussed, the character is mentioned and the application of magnetic nanoparticles is summarized． Keywords：magnetic；nanoparticles；synthesis；character; application 1.引言 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。 纳米表征技术是高新材料基础理论研究与实际应用交叉融合的技术。对我国高新材料产业的发展有着重要的推动作用，其在全国更广泛的推广应用，能加速我国高新材料研究的进程，为我国高新技术产业的发展作出更大的贡献。在纳米表征技术下，磁性纳米材料的应用日显勃勃生机。例如磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体。 磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域。在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响。并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。特别是能源，人类健康和环境保护等重大问题。下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。已出现可喜的苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点的基础。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 2.制备 在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性微粒的仅有少数几种，主要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4(M为Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕
发光功能化的纳米材料的应用探讨纳米材料在实际应用中，其主要特点是比表面积大、化学反应活性强以及具有良好的尺寸效应，能够和生物体产生特殊的相互作用。在生物标记以及分析检测中则主要是作为生物探针应用，同时纳米技术、生物技术以及分析技术的良好结合，也进一步促进了功能性纳米材料的发展及应用。本文则从发光功能化角度，对纳米材料的发展及应用探讨。 1纳米材料在电化学和电化学发光生物传感中的应用 其中将CdTe量子点作为标志物的免疫传感器，能够同时测定人IgG抗原作为模型蛋白的荧光及电化学。首先借助于聚阳离子电解质PDDA能够在导电玻璃上将金胶纳米粒子在ITO芯片上被成功吸附，之后在金胶纳米离子上固定羊抗人IgG抗体，再实施封闭处理之后芯片则能够和检测出现抗原反应，并和量子点标记的鼠抗人IgG抗体反应。在以上反应结束后可以进行荧光及电化学方式检测。其中电致化学发光则是有效结合电化学和化学发光的检测方法，应用也比较广泛。量子点特点则为荧光特性独特以及生物相容性好，在其应用过程中将硫基乙酸作为稳定剂，则能够成功合成水溶性Cds纳米晶体。在对进行分析过程中，发现水溶液中会出现电致化学发光行为。采用自组装方式和纳米金放大技术相结合，在金电极上修饰Cds纳米晶，则能够构建新型ECL免疫传感器，主要是在低浓度脂蛋白检测中应用。这一材料在实际应用中具有良好的电化学发光以及生物相容性，能够进一步构建量子点电化学发光免疫传感器，主要应用在人免疫球蛋白灵敏
性检测工作中。 2纳米材料在聚合物电致发光中的应用 聚合物电致发光在应用中主要优势为：主动发光，并且效率高、宽视角、能耗低、厚度小、操作简单等等，在照明及平板显示领域中具有良好的应用发展前景，目前已经在全世界科学界及工业界得到普遍关注。聚合物电致发光二极管的首次研究则是在19XX年，英国机剑桥大学首次报道关于聚对苯乙烯的聚合物电致发光二极管，在采用溶液法将聚合物前驱体进行成膜之后，放置在2500C真空高温环境中进行处理，最终为均匀、致密的PPV薄膜，器件的阴阳极分别是Al 和ITO，在＜14V电压环境下则能够实现外量子效率0.05%黄绿光发光。PPV则属于是难溶性共轭聚合物，在其处理过程中一定要选用前驱体方式进行旋涂成膜，在操作过程中工艺复杂，同时薄膜质量也比较差。在19XX年美国加州大学则提出可通行的甲氧基异辛氧基对聚对苯乙烯进行取代，能够在ITO上旋涂MEH-PPV溶液成膜，从而实现发光层，即将金属Ca作为阴极则能够得到1%橘红色发光二极管，这一工艺在操作中简单，同时具有高发光率聚合物电致发光二极管。19XX年则进一步采用柔性塑料基底则可弯曲聚合物电致发光二极管，从而呈现出聚合物电致发光二极管最为迷人一面。在近些年来，世界对聚合物电致发光材料及期间的研究一直都比较重视，并取得显著进步，但是就目前而言不管是聚合物电致发光器件稳定性还是效率上均还有进步空间，因此还需要进一步加大研究。 3纳米材料在化学发光免疫分析中的应用
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指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。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，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
自然界（例如生物体）存在的纳米材料及其特性功能 摘要:纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术技，则是在纳米尺度(1到1000纳米之间)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，纳米材料是其主要的研究对象与基础。事实上，纳米技术并不神秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌… 应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。 关键词 :纳米材料；生物纳米材料；仿生材料。 一，纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。 1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。 真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。 到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal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子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。
第25卷第2期大学化学2010年4月 今日化学 磁性纳米材料的化学合成、功能化 及其生物医学应用 侯仰龙 (北京大学工学院先进材料与纳米技术系北京100871) 摘要从纳米材料的生长动力学模型出发,讨论磁性纳米材料的控制合成原理。总结磁性纳米材料的化学设计与合成、表面功能化及其在核磁共振成像和多模式影像等方面的应用研究最新 进展。 磁性材料在信息存储、传感器和磁流体等传统学科领域有着重要的应用。近年来,随着纳米材料科学与技术的发展,纳米磁性材料的应用开发日益引起人们的关注,特别是在提高信息存储密度、微纳米器件和生物医学领域的应用潜力巨大。本文将从纳米磁学开始,回顾磁性材料的基本概念、化学设计与合成、表面功能化及其在生物医学领域的潜在应用[1]。 1纳米磁学 在磁场中,铁磁体的磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H的关系可用曲线来表示。当外磁场作周期变化时,铁磁体中的磁感应强度随磁场强度的变化而形成一条闭合线,即磁滞回线,图1(a)为铁磁物质磁滞现象的曲线。一般说来,铁磁体等强磁物质的磁化强度M(或B)不是磁场强度H的单值函数而依赖于其所经历的磁状态。以磁中性状态为起始态,当磁状态沿起始磁化曲线磁化时,此时磁化强度逐渐趋于饱和,曲线几乎与H轴平行,将此时的磁化强度称为M s。此后若减小磁场强度,则从某一磁场强度开始,M随H的变化偏离原先的起始磁化曲线,M的变化落后于H。当H减小至0时,M并未同步减小到0,而存在剩余磁化强度 M r 。为使M减至0,需加一反向磁场,称为矫顽力H c 。反向磁场继续增大时,磁体内的M将沿 反方向磁化到趋于饱和(M s),反向磁场减小至0再施加正向磁场时,按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线。当外磁场完成如上变化时,铁磁体的磁状态可由图1(a)所示的闭合回线描述。当温度高于居里点时,磁性材料将变成顺磁体,其磁性很容易随周围磁场的改变而改变。如果温度进一步提高,或者磁性颗粒的粒度很小时,即便在常温下,当尺寸达到临界畴时,材料中电子的热运动将逐渐占主导作用,热运动引起的扰动能超过磁能,使得原有的磁有序发生无序化,该现象称为超顺磁现象,如图1(b)所示,此时材料矫顽力和剩磁为0。对于纳米颗粒的超顺磁转变温度,称为B loc k i n g温度。其磁学性质随尺寸的变化,如图2所示,与块体磁性材料的多畴结构相比,纳米颗粒具有单畴结构,当颗粒尺寸小于临界畴尺寸时,纳米颗粒的磁自旋将无序排列。在单畴区域,矫顽力随着颗粒尺寸的增加而增加,在颗粒 1
2017年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）推荐项目公示材料（自然奖） 1、项目名称：功能磁性纳米材料的构建及诊疗应用基础 2、推荐奖种：高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖 3、推荐单位（专家）:东南大学 4、项目简介: 磁性纳米材料因其丰富的磁学特性和良好的生物相容性，在生物医学领域有广泛的应用前景。如何构建生物医用磁性纳米材料，解决其控制制备的关键科学问题并建立相关标准，发现磁性纳米材料新的生物效应，并解决其在生物医学应用中核心科学问题，是实现临床实际应用的挑战和迫切需求。经过多年研究取得了如下重要科学发现： 1. 系统研究了磁性纳米材料的控制制备及表面修饰，研究成果发表在Coll. Surf. A与Nanoscale Res. Lett.，共计被SCI正面他引260篇次。研制出10L纳米 -Fe2O3弛豫率国家标准物质（GBW（E）130387），教育部组织的科技成果鉴定认为该标准物质填补了国内外空白，对磁共振成像造影剂研制、生产及临床应用具有重要意义。提出了一种交变磁场诱导磁性纳米颗粒组装的新机制，制备得到具有各向异性磁热效应的水凝胶，结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等专业期刊上，被同行认为“交变磁场组装磁性纳米颗粒是过去十几年
来除了静磁场控制组装以外首次提出的新的组装方式和机制”，“首次制备具有各向异性磁热效应的磁性水凝胶”，“在未来的临床热疗中具有重要应用前景”。 2. 发现了磁性纳米材料的pH依赖双模拟酶活性与促成骨新效应，为发展新型诊疗技术提供了重要基础。发现氧化铁纳米颗粒具有pH依赖双模拟酶活性，揭示了其在酸性条件下（如细胞溶酶体）的类过氧化物酶活性以及中性条件下（如细胞质）类过氧化氢酶活性。结果发表在ACS Nano并被亮点报道，被同行认为是“开拓性的工作”，促进了类酶纳米材料的发展。进一步通过纳米氧化铁颗粒表面修饰普鲁士蓝壳层，极大地提高了其类酶活性和生物检测的灵敏度，结果在J. Mater. Chem.发表后被同行评价为“构建的纳米结构模拟酶具有极好的电化学稳定性和更高的催化活性”，最近还被载入普通高等学校规划教材《酶工程》第三版中。还发现磁性纳米纤维支架在外加静磁场中可以显著促进成骨细胞分化，该策略在Nanoscale期刊发表后被国际上多家实验室应用，并且被评价为“磁性纳米纤维复合材料为骨组织缺损修复提供了一种有潜力的治疗策略”。 3. 创新构建了组装磁性纳米颗粒的复合超声微气泡，实现了增强的超声/磁共振双模态成像，深入探讨了磁性纳米颗粒与聚合物膜材分子的组装调控及释放机制，发展了超声调控类酶磁性纳米颗粒无损、高效传输进入细胞质的技术，为量化调控复合材料以及声能控制磁性微气泡药物精准靶向输运奠定了基础。结果发表在Biomater.、Small、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊，被同行评价为“这一令人兴奋的结果在未来疾病的双模态诊疗中极具潜力”。 10篇代表论文被SCI他引837篇次，其中被影响因子 7的期刊论文他引181篇次。培养全国百篇优博2名、国家自然科学基金杰出青年1名、教育部新世纪优秀人才2名，并且连续两期牵头国家重大科学研究计划项目研究（973首席科学家），并分别以良好和优秀成绩通过验收。
功能化纳米材料研究与蛋白质选择性富集分离技术 蛋白质组学以大规模分析细胞或生物体内的蛋白质为目的，主要开展表达蛋白质组学和功能蛋白质组学两类研究工作。生物体内蛋白质种类繁多，性质复杂，数量庞大，尤其是蛋白质翻译后修饰，对现行的蛋白质组学研究方法和技术提出了许多挑战。因此，发展蛋白质研究新技术与新方法，对于解决生物学、疾病诊断和治疗等方面的科学问题有着重大的意义。 功能化纳米材料在科学发展的各个领域都有着广泛应用，相对于普通材料而言，它们具有极大的比表面积和极高的表面活性，特别适于生物医学领域的应用。针对蛋白质组学研究中面临的磷酸化和糖基化蛋白质高效选择性富集方面的热点难点问题，将功能化材料与蛋白质分析结合起来，开展了一系列研究工作，发展了一些基于功能化材料的磷酸化和糖基化蛋白质组学研究新技术新方法。与IMAC相比，磁性纳米新材料具有更高的选择性，并且对低pH溶液、盐类、其它低分子污染物有更高的耐受性。我们先后研究合成了TiO2、ZrO2、Ga2O3等金属氧化物包覆的磁球，并成功用于磷酸化肽段的富集。同时还合成了Fe3O4@C@Ta2O5和Fe3O4@C@SnO2磁球用于磷酸化肽段的富集，展现了优越的富集选择性。同时，我们还研究了糖肽和糖蛋白的富集鉴定新方法。首先合成了纳米级金粒子，然后通过高温煅烧将这些纳米金颗粒烧结到MALDI-QIT-TOF-MS靶板上，再利用金和巯基之间的相互作用在这些纳米金颗粒表面修饰上巯基苯硼酸，用来选择性富集糖基化的肽或者蛋白质。进而发展了利用“三明治”固定方法在硼酸纳米磁性微球表面固定了凝集素蛋白（Con A），并将其用于糖基化蛋白的分离富集。球表面直接固定Con A相比，利用上述“三明治”方法固定的Con A量提高了三倍。Con A纳米磁球、硼酸磁球和商品化的Con A磁球用来进行人肝癌细胞株7703细胞裂解液中糖蛋白的分离富集。利用Con A纳米磁球共鉴定了包含184个糖基化位点在内的172条糖肽，这些糖肽共对应 1
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m