第32卷第1期2013年2月
电子显微学报
Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol.32，No.12013-02
文章编号：1000-
6281（2013）01-0030-05基于原子力显微镜对多肽自组装结构的
纳米操纵研究
代
彬
1，2
，张福春1，胡钧1
，张
益
1*
（1．中国科学院上海应用物理研究所，物理生物学研究室，上海201800；
2．中国科学院大学，北京100049）
摘
要：多肽自组装作为一种“自下而上”的技术得到了快速的发展，所形成的自组装结构作为新型的纳米材料具
有众多潜在的应用。然而在多肽自组装过程中，
会产生各种各样的缺陷，导致多肽纤维形成的图案有一定的局限性。本文利用原子力显微镜对固液界面生长的多肽自组装结构进行纳米操纵，介绍了定位移除部分多肽纤维从而产生缺口的方法，并利用所产生的缺口实现了纳米纤维的重新排布，极大地提高了多肽纳米纤维构成图案的复杂性，在纳米制造中有潜在的应用。
关键词：多肽；自组装；原子力显微镜；纳米操纵
中图分类号：TH742.9；O629.72；TG115.21+
5.7
文献标识码：A doi ：10．3969/j．1000-6281．2013．01．006
收稿日期：2012－08－07；修订日期：2012－11－05
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．10975175、
No．90923002、No．21073222、No．11079050）；中国科学院知识创新工程重要方向资助项目（KJCX2-EW-N03）．
作者简介：代彬（1984－），男（汉族），河北省衡水市人，在读博士研究生．E-mail ：daibinxc@163．com *通讯作者：张益，男（汉族），浙江省宁波市人，研究员，博士研究生导师．E-mail ：zhangyi@sinap．ac．cn
一维纳米材料是构成纳米器件的重要组成部分。一方面，人们迫切需要得到可以自修复的纳米材料
［1 3］
；另一方面，构成纳米器件的主要单元大部
分是一个或几个一维纳米材料，如何保证一维纳米材料完善无缺陷就有着重要的意义［4］
。
多肽与蛋白质的自组装，不仅在结晶学［5］
、病
理学
［6］
等方面广受关注，而且还是一种潜在的纳米材料
［7 9］
。其中，多肽与蛋白质的自组装中的一个
重要分支是多肽分子在表面辅助下的自组装，它不仅是一种制造功能性一维纳米结构的潜在方法，而且在纳米流体学
［10］
、生物传感器［11］、药物输运
［12］
、作为组织和细胞的脚手架［13］
等方面也表现出了极
大的应用潜力。目前已有很多研究表明多肽和衬底之间的作用（例如多肽与云母或者石墨的晶格相互作用）会对纳米纤维的生长产生影响
［14 16］
。
GAV-9多肽（NH 2-VGGAVVAGV-CONH 2）是一个与几种神经退行性疾病相关蛋白（α-synuclein ，amyloid βprotein and prion protein ）［17］同源的保守序列，其与α-Syn 蛋白的纤维必备核心序列—TGV-9（VGGAVVTGV ）肽只差一个氨基酸。在前期研究中，
张峰等发现GAV-9肽在云母表面受云母晶格影响可以自组装成三维对称图形
［18］
。最近，张福春等
又利用原子力显微镜（atomic force microscope ，AFM ）的纳米操纵技术实现了对多肽纳米纤维进行缺陷自修复和诱导多肽纳米纤维定位、定向生长
［19］
。
本文详细介绍一种利用AFM 操纵技术来重新
排布自组装形成的多肽纳米纤维的方法。通过轻敲模式（Tapping Mode ）和“负抬升”（Negative Lift mode ）模式相结合，AFM 可对多肽纳米纤维定位地施加作用力，从而移除部分的多肽纤维，产生大小不同的缺口。通过AFM 操纵技术，
某些被阻挡的纳米纤维将可以穿过所产生的缺口继续自组装，从而实现了纳米纤维的重新排布（见图1），极大地提高了多肽纳米纤维构成的图案的复杂性，在纳米制造中有潜在的应用。
1实验
GAV-9肽由上海多肽生物技术有限公司合成，
经HPLC 纯化纯度大于98%，质谱检测分子量符合设计。首先将GAV-9肽粉末溶于10mmol /L 磷酸盐缓冲液（phosphate 10mmol /L ，NaCl 10mmol /L ，pH 7.0）中，并调整多肽浓度到2.4mg /mL 。在使用之前，将GAV-9肽溶液10000r /min 离心10min ，然
第1期代彬等：
基于原子力显微镜对多肽自组装结构的纳米操纵研究图1利用AFM 对多肽纳米纤维进行操纵的示意图。在云母表面，纤维B 被纤维A 阻挡（a ），不能继续自组装。
基于AFM 操纵技术移除了部分纤维A ，从而产生缺口（b d ），纤维B 就可以穿过纤维A 继续自组装（e ），最终形成新的多肽纤维图案（f ）。
Fig.1
Sketch map of AFM nanomanipulation on the self-assembled peptide nanofilaments．After removing a part of the filament A ，the extending of B re-starts．Finally ，the peptide filaments form a new pattern．
后将上清液立即转移到1.5mL 的离心管中，进而低真空抽气去除溶解性气体后备用。
实验使用商用的AFM 系统（Nanoscope V ，Veeco /Digital Instruments ），配备一个J-扫描头和一个液体槽。选择悬臂力常数为0.24N /m （SNL-10，Bruker ）的针尖进行实验。实验温度保持在（22?1）?，环境的湿度到50%以上。
实验在液体环境下进行AFM 的成像和纳米操纵。作者通过调节多肽浓度来控制多肽在云母表面的自组装的速度。通过AFM 轻敲模式和“负抬升”模式相结合，
AFM 探针定位地对多肽纳米纤维施加作用力，从而移除部分的多肽纤维，产生大小不同的缺口。然后提高液体槽中的多肽浓度，使多肽继续自组装，直到纤维上的缺口“愈合”
。2结果与分析
在本文实验中，首先滴加30μL 的GAV-
9多肽溶液（1.2mg /mL ）到新解离的云母上，调整AFM 到液体环境下的轻敲模式工作，获得稳定成像，观察到了高度约为3nm 的纳米纤维（图2a ），与之前的实验结果相吻合
［18］
。在选定好将要操纵的多肽纤维
后，缩小扫描范围至几百纳米。当针尖扫描到图2b 箭头所示的位置时，关闭慢轴扫描，打开“lift mode ”，通过将“lift scan height ”值设定为一个负值来降低抬高模式扫描时针尖与云母表面的垂直距离（即“负抬升”模式，negative lift mode ），从而实现了
定位地对多肽纤维施加作用力。这样，当关闭“lift mode ”，打开慢轴扫描，AFM 恢复正常的轻敲模式扫描时，多肽会产生一个小的缺口（图2b ）。这种纳米操纵可以重复进行，在一条或多条纤维上产生多个缺口。当在实验体系中添加高浓度的多肽溶液时，缺口可以被多肽分子填充，纤维“愈合”
（图2c ）。若在打开“lift mode ”之前不关闭慢轴扫描，那么探针将继续沿着慢扫描方向前进。在“负抬升”（Negative Lift ）模式下，当探针持续扫描一段时间后，较多的多肽纤维会被针尖扫除，产生一个大的缺口。如图2d 和2e 所示，在两条多肽纤维上分别产生了200nm 和300nm 的缺口。当在实验体系中添加高浓度的多肽溶液后，多肽继续自组装，缺口也将“愈合”消失（图2f ）。
在多肽纳米纤维的自组装过程中，通常会遇到图3a 中出现的状况：纤维B 被纤维A 阻挡从而不能继续自组装。利用纳米操纵技术，将阻挡纳米纤维B 生长的纳米纤维A 的一部分纤维移除掉，见图3b 。这样，纳米纤维B 的生长就不再受到纳米纤维A 的限制，因此在实验体系中添加高浓度的多肽溶液后，
纳米纤维B 的活性末端开始延长（图3c ），延长的速度超过了纳米纤维A 的自修复的速度。整个过程见图3所示。最终，刚开始时的类似T 形的纳米图案结构（图3a ）通过纳米操纵技术转变成了十字形的纳米图案（图3f ）。利用类似的操纵方法可以制作复杂的、有限多肽纳米纤维形成的图案。
1
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电子显微学报J．Chin．Electr．Microsc．Soc．第32
卷
图2利用AFM 对GAV-9肽纤维进行擦除与重新生长实验。a ：选定多肽的AFM 图像；b ：擦除两个小缺口（箭头指示）；c ：增加多肽浓度，擦除的多肽重新生长直到“愈合”
；d f ：分别在两条多肽上形成两个大缺口后又重新生长直到“愈合”。Bar =600nm
Fig.2
AFM images indicating cutting and removing peptide nanofilaments．a AFM image of selected peptide filaments ；
b ：AFM image indicating two small gaps were generated by AFM positioning cutting （indicated by the arrows ）；
c ：the gaps were fille
d by th
e peptide monomers when the peptide concentration was increased ；d －
f ：a series of AFM images indicatin
g two big gaps were generated by AFM operation ，whic
h were
repaired by the peptide monomers when the peptide concentration was
increased．
图3在纳米构造的应用，纤维B 被纤维A 阻挡不能继续生长。通过AFM 纳米操纵，移除纤维A 的一部分，
使纤维B 可以继续生长，形成新的纳米图案。Bar =250nm
Fig.3
By using AFM nanomanipulation ，the peptide filament A can be partly removed ，
so that filament B can extend through the gap．
2
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第1期代彬等：基于原子力显微镜对多肽自组装结构的纳米操纵研究
3结论
通过AFM轻敲模式和Negative Lift模式相结合，可以对多肽自组装的纤维进行操纵，产生大小不同的缺口。利用这种纳米操纵技术，作者移除了阻挡其它纤维生长的多肽纳米纤维的一部分，从而使被阻挡纤维的生长不受限制，最后形成更复杂和更可控的纳米图案，在纳米制造中有潜在的应用。
致谢：张益感谢德国马普学会对一个伙伴研究小组的资助。
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33
43
电子显微学报J．Chin．Electr．Microsc．Soc．第32卷Mechanical nanomanipulation of individual peptide
nanofilaments based on AFM
DAI Bin1，2，ZHANG Fu-chun1，HU Jun1，ZHANG Yi1*
（1．Laboratory of Physical Biology，Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai201800；
2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）
Abstract：The rapidly developing peptide self-assembly is a“bottom to up”technology that has potential applications in nanomanufacturing．However，the normally self-assembled peptide structures contain some defects．In addition，the patterns formed by the assembled peptide structures on solid surfaces are limited．In this paper，we report that atomic force microscope（AFM）-based mechanical operation can be used to manipulate individual peptide filaments．Positioning removing a part of the pre-formed peptide nanofilaments was achieved，which resulted in gaps on the peptide filaments．By increasing the peptide concentration，the gaps could be filled by peptide monomers．By removing junction part of two peptide filaments，the extending of the filaments could be restored，so that a crossed pattern was formed．With the AFM nanomanipulation method，complicated patterns formed by individual peptide filaments could be obtained，which has potential applications in nanomanufacturing．
Keywords：peptide；self-assembly；atomic force microscope（AFM）；nanomanipulation
*Corresponding author
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
1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？ 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性 能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。
纳米技术发展史 【摘要】纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。 【关键词】发展纳米技术纳米材料 纳米技术基本概念 纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手 段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为 基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手 段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物 理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。 纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于 自然界，只是以前没有认识到这个尺度 范围的性能。第一个真正认识到它的性 能并引用纳米概念的是日本科学家，他 们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。2、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统,用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。3、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，
[1]崔铮. 微纳米加工技术及其应用（第二版）. 北京：高等教育出版，2009.5 [2]王国彪. 纳米制造前沿综述. 北京：科学出版社，2009.3 31引言 “自上而下”与“自下而上”纳米制造技术 当前的纳米制造技术广义上可分为“自上而下”和“自下而上”两类。 自上而下的方法是指从宏观对象出发，对宏观材料或原料进行加工，完成纳米尺度结构特征的制造。主要涉及的技术包括切割、刻蚀以及光刻等。“自上而下”的加工方式，其最小可加工结构尺寸最终受限于加工工具的能力：光刻工具或刻蚀设备的分辨能力等。 自下而上的方法是指从微观世界出发，通过控制原子、分子和其它纳米对象，制造期望的纳米结构、器件和系统。主要包括自组装和通过工具辅助对不同的纳米尺度对象进行纳米操作。上一讲介绍的原子、分子操纵即属于纳米操作。这一讲主要介绍自组装纳米制造技术。 自组装（self-assembly） 自组装是一个非常广义的概念，任何一种由独立个体自发地形成一个组织、结构或系统的过程都可以称之为自组装。它是通过各种类型的相互作用力将各种结构单元组织在一起的，是自然界中广泛存在的现象。 不同尺度的自组装系统 自组装系统的尺度范围广，可以是微观的、介观的或宏观的，小到原子核，大到宇宙天体，均存在广义上的自组装现象，如图。 静态自组装和动态自组装 自组装可分为两大类： 静态自组装（S）是指那种在全部或者局部范围内平衡的体系，它不需要消耗能量。在静态自组装中，形成有序的结构是需要能量的，但是组装结果处在能量极小或最小状态，一旦形成，它就非常稳定，目前大多数关于自组装的研究都是这一类型。如原子、离子和分子晶体，相分离和离子层状聚合物，自组装单层膜，胶质晶体，流体自组装等。 动态自组装（D）发生机制必须在系统消耗外界能量的情况下才能发生，一旦有能量的散失，形成的结构或系统中的各个单元之间就会有相互作用产生而被破坏。如生物细胞，细菌菌落，蚁群和鱼群，气象图，太阳系，星系等。动态自
纳米粒子的自组装 摘要：本文主要介绍了自组装的相关基础知识，并具体对纳米粒子的自组装进行了介绍，通过组装单元的类型对纳米粒子的自组装进行分类。组装单元有柔性的也有刚性的，有各向异性的也有各向同性的。分为各向同性刚性粒子的自组装、各向异性刚性粒子的自组装、各向异性柔性粒子的自组装以及各向同性柔性粒子的自组装这四类进行了详细介绍。 关键词：纳米粒子，自组装，刚性，柔性，各向同性，各向异性 1引言 组装在汉语释义中，是指把零散的部件组合在一起，使成为整体，组装的过程中，用到的是人力或者机械力。与日常生活中的“组装”不同，自组装（self-assembly）是指在非共价力的作用下，小分子、大分子或纳米粒子组合成规则有序的物体。这里的非共价力包括范德华力、氢键、静电作用、疏水作用、偶极相互作用等，称为自组装的驱动力，非共价力不是人手或者机械可以操控的，非共价力的操控需要人们对于物理化学的原理的理解和运用。自组装形成的规则有序的物体称为自组装体或者组装体（assembly），形成组装体的原料成为组装单元（building block），根据组装单元的不同，相应的就有小分子自组装、大分子自组装和纳米粒子的自组装。 图1.1是不同尺度物体生产的空间坐标轴，在坐标轴的右侧，常规加工可以制造各种尺寸大于0.1mm的物体，制造的技术已经非常成熟。微加工（microfabrication）则可以制造各种复杂形貌的微米物体（1-100μm），比如用双光线技术。在坐标轴的左侧，在零点几纳米到几纳米的尺度内，有机化学已经可以根据需要设计合成各种目标分子，技术已经非常成熟；在几个纳米到几百纳米范围内，高分子化学家则可以合成各种构造的高分子入梳形高分子，胶体化学家可以合成各种纳米晶体如八角状的纳米晶体，该尺度范围内，虽然还不能按照需要任意地制备物体，但是已经可以制造很多种不同结构不同形貌的物体，然而对于位于坐标轴中间的几十纳米到几个微米的尺度范围来说，该尺度大于化学合成所能制备的物体的上限，小于常规加工和微加工所能达到的下限，该尺度范围内的制造需要人们通过物理化学的原理的理解和使用来完成，这就是大分子自组装以及纳米粒子的自组装的任务所在。 图1.1 Fabrication of objects at all scales 大分子自组装经过三十年的发展，通过嵌段共聚物溶液自组装的方法可以制备二三十种
纳米材料与纳米结构复习题 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：广义上讲：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，或由他们作为基本单元构成的材料。 按维数，纳米材料可分为三类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类。 答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体（粒径一般等于或小于1nm） 例如: C n H m（n与m都是整数）；碳簇（C60、C70和富勒烯等） 原子团簇的分类： a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。 b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。 c 多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等 d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag)n(NH3)m等。3.通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常灵敏的方法。100-400cm-1范围内出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式；1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w。式中的d单壁管的直径，nm；w为特征拉曼峰的波数cm-1 4.论述碳纳米管的生长机理。 答：采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。 各种生长模型 1、五元环－七元环缺陷沉积生长 2、层－层相互作用生长 3、层流生长 4、顶端生长 5、根部生长 6、喷塑模式生长 7、范守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性 生长机理 表面扩散生长机理：不是生长一内单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管
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
第一章 1 背景意义（引言） 材料在人类社会进步过程中有着特殊意义。从石器时代，青铜时代，铁器时代，到水泥/钢筋时代，再到硅时代，无一不体现出材料的重要作用。科学家预言，我们正步入纳米时代。 纳米是长度单位，原称毫微米，就是十亿分之一米或者说百万分之一毫米，略等于45个原子排列起来的长度。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，研究领域为结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。 现在纳米研究正在蓬勃展开。科学家们通过实验发现，在纳米尺度的结构有很多新现象，新特征，新技术。纳米电子器件有金属块，纳米陶瓷，纳米氧化物，纳米药物，纳米卫星，以后还有纳米化妆品、纳米电冰箱、纳米洗衣机、纳米布、纳米水等新产品问世。 过去几十年间，微电子和计算机技术被广泛运用。内存的容量和运行速度以幂指数式增长。这种增长机制正是通过降低芯片的尺寸来实现的。目前，为满足客户需求，芯片尺寸已降低到100nm以内。在生物医学和人类健康领域，为了更好的诊断和治疗，纳米探测器，纳米抗体，纳米药物的研究正蓬勃展开。 在纳米尺度上实现材料表面结构和性质的加工或图案化，对现代技术的发展和理论的应用有着重要的意义，特别是新型微小结构的成功构造或现有结构的微型化。微加工或图案化技术，除了对微电子
技术中的集成电路、信息存储器件、微机电系统有巨大推动作用外，还对小型传感器、机械材料、生物载体和微型光学元件等的响应速度、成本、能耗和性能有优化作用。与此同时，纳米技术的发展和应用融合了多门传统学科，相继衍生出多种学科门类，创造了新的理论和方法，为微观世界的研究提供了很好的契机。 然而也面临着很多困难，纳米材料在热力学、动力学、光学、磁学、电学以及化学性质方面都与宏观物体有很大的不同。首先的加工制作的困难。尺度太小，要求很精确，受传统理论的限制。比如，光刻中受衍射极限的限制，传统的方法很难获得突破性进展。此外也受形态和空间排布的影响。1959年，著名理论物理学家Feynman就提出纳米材料与技术的构想。在之后的几十年间，一直没多少人关注。纵是在1981年扫描隧道电子显微镜和在1986年原子力显微镜被发明后，纳米技术的应用仍受局限。然而到了20世纪末，随着科技的进一步发展，纳米技术的重要性终于凸显出，成为各主要发达国家重视的科技计划。 近年来在光刻、电子束刻蚀、离子刻蚀、气相沉积等物理微加工技术快速发展的同时, 利用化学自组装技术构筑有序微结构也受到了人们越来越多的关注。通过自组装技术能解决我们面临的很多问题。 随着胶体晶体研究的火热，人们发现一种不依靠人力就能完成组装和构筑结构的方法，由于这种方法简便、制造结构多样、重复性好
超细纳米结构合成及自组装 王 训 清华大学化学系，100084，北京 E-mail: wangxun@https://www.doczj.com/doc/6b7766925.html, 纳米材料新奇的物理化学性质通常在尺寸小于5纳米的区域内体现的更为明显，作为结构基元时，由于其丰富的表面、界面性质及超细尺寸，偶极-偶极相互作用、分子间作用力等非化学键作用力在自组装过程中作用更为显著，可呈现出不同于分子自组装及传统晶体生长模式的物理化学新现象。王训课题组围绕超细纳米结构基元自组装规律开展了研究工作。通过筛选表面活性剂及溶剂体系，对ZrO2、SnO2、TiO2等超细纳米晶进行了尺寸及维度限制，系统研究了尺寸相关的相稳定、催化等性质；对超细纳米晶/纳米团簇在一维、二维、三维体系的自组装进行了研究，探讨了结构基元间相互作用力对自组装过程的影响。 Fig. 1 F-HAp ultrathin nanowires. Fig. 2 Fluorescence photography of the PDMS/HAp samples obtained by camera via excitation with 254nm wavelength UV-light 关键词：超细纳米晶；自组装； 参考文献： [1] Guolei Xiang, Xun Wang*, et al. Size-Promoted Surface Activities of Rutile and Anatase TiO2 Nanocrystals: Enhanced Surface Modification and Photocatalytic Performance. Chem. Eur. J. 2012, accepted. [2] Biao Xu, Xun Wang*. Small 2011, 7, 3439-3444 [3] Amjad Nisar, Yao Lu, Jing Zhuang, Xun Wang*. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3187-3192. [4] Zhihong Tang, Shuling Shen, Jing Zhuang, Xun Wang*. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4603-4607. Controlled Growth of Ultrathin Nanocrystals and their Self Assembly Xun Wang Department of Chemistry, Tsinghua University, 100084, Beijing This project aims at developing the strategy for self-assembly of ultathin nanocrystals with diameters below 5nm as well as the construction of functional systems.
纳米结构的制备方法 学生姓名：曹琰学号：20115041096 学院：物电院专业：物理学 指导教师：闫海龙职称：副教 摘要：首先介绍什么是纳米结构以及纳米结构的分类，再主要说明纳米结构的制备方法及研究现状，最后叙述纳米结构的应用和前景。 关键词：纳米结构；制备方法；应用 1引言 著名的诺贝尔奖获得者查德费曼早就提出了一个令人深思的问题：如何将信息储存到一个微小的尺度?令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。今天，纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响，费曼的预言已成为世纪之交科学家最感兴趣的研究热点。纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵一个重要的分支学科，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的研究热点。20世纪90年代中期有关这方面的研究取得重要的进展，研究的势头将延续到21世纪的初期。 2纳米结构的概念及分类 从基础研究来说，纳米结构的出现，把人们对纳米材料出现的基本物理效应的认识不断引向深入[1]。无序堆积而成的纳米块体材料，由于颗粒之间的界面结构的复杂性，很难把量子尺寸效应和表面效应对奇特理化效应的机理搞清楚，纳米结构可以把纳米材料的基本单元（纳米微粒、纳米丝、纳米棒等）分离开来，这就使研究单个纳米结构单元的行为、特性成为可能。更重要的是人们可以通过各种手段对纳米材料基本单元的表面进行控制，这就使我们有可能从实验上进一步提示纳米结构中纳米基本单元之间的间距，进一步认识他们之间的耦合效应。因此，纳米结构出现的新现象、新规律有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米材料体系的理论框架奠定基础[2]。
纳米技术及其发展现状 随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小型化方面不断提出更新、更高的要求。目前，纳米技术发展十分迅猛，它使人类在改造自然方面进入一个新的层次。它将开发物质潜在的信息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。 纳米技术是指纳米级(＜10纳米)的材料、设计、制造、测量和控制技术。随着纳米技术的发展。开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的军民两用前景。美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应用。 1微型机电系统( microelectron—mechanical systems，MEMS) 10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感器以及各种阀门等。
MEMS主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天。如用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统。在环境、医学应用中，微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度。在军事主要有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用。 2专用集成微型仪器( application specific integrated micro-instrument，ASIM) 微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集成在一块普通的基片上。微型机电系统与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微型仪器(ASIM)的出现。 具有亚微米特点的ASIM会使亚毫米器件降低研制与试验费用、缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对振动的灵敏性和通过冗余提高可靠性。ASIM将在航天器和航天.系统技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”。3材料工程及功能织物 在材料工程方面，已经能够做到设计与控制一种材料的微观结构，从而获得所要求的宏观性能。因此，对于材料的分子、原子结构，
纳米组装体系及其研究进展／司伟等?８９? 纳米组装体系及其研究进展＋ 司伟翟玉春 （东北大学材料与冶金学院，沈阳１１０００４） 摘要评述了近年来纳米组装体系，如纳米微球材料、纳米团簇、纳米介孔复合、纳米有序阵列等体系的研究进展，总结了这几类物质的先进合成方法，展望了其应用前景。 关键词纳米微球材料纳米团簇介孔复合有序阵列研究进展 ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＮａｎｏ－ａｓｓｅｍｂｌｙ ＳＩＷｅｉＺＨＡＩＹｕｃｈｕｎ （ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００４） ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｓｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｎａｎｏ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｓｕｃｈａｓｎａｎｏｓｐｈｅｒｅｓ，ｎａｎｏｃｌｕｓ—ｔｅｒ，ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｏｒｄｅｒｅｄｎａｎｏ－ａｒｒａｙ，ｅｔｃ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｓｅｖｅｒａｅｇｏｏｄｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ－ａｓｓｅｍｂｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｎｏｓｐｈｅｒｅｓ，ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒ，ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｏｒｄｅｒｅｄｎａｎｏ－ａｒｒａｙ，ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ ，、，．一护的球形Ａｕ纳米粒子（１４ｒｉｍ）可以自组装得到二维的点阵，纳 。“９米粒子之间的距离决定于ＤＮＡ片段的长度。通过加热处理组近年来，人们对纳米材料的研究已逐步深入到纳米组装体装的纳米粒子聚集体被重新分散到液相里。其中ＤＮＡ起着连系的研究，即以纳米微粒或纳米丝、纳米管为基本单元在一维、接剂或模板剂的作用。用烷基硫醇作模板剂，如果两种不同尺二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如纳米微球寸的Ａｕ纳米粒子的粒径满足间隙固溶体的形成条件，则可以材料、纳米团簇、介孑Ｌ复合体系、纳米有序阵列等。自组装成具有双重密堆积结构的二维超晶格［５］，见图１。何声纳米结构自组装体系的出现，标志着纳米材料科学研究进太等用两相液一液系统方法制备出表面包覆有１一壬基硫醇的银入了一个新的阶段。人们可以把纳米结构单元按照事先的设纳米粒子二维超晶格。利用化学模板自组装技术，还可得到球想，依照一定的规律在二维或三维空间构筑成形形色色的纳米形ＣｄＳ、ＣＡＳｅ和ＡｇｚＳ等纳米粒子的二维超晶格［６］。 结构体系。目前，纳米材料的自组装方法主要是先制备纳米颗 粒材料，再后续自组装获得各种超结构，对原料和实验条件的要 求比较苛刻。寻找反应条件温和、易于操作、一步就能完成纳米 材料和纳米结构的合成与组装的化学方法将对纳米材料的工业 化生产和应用具有重大意义。如今，欧洲一些国家和我国正式 启动了纳米结构材料在医药、生物工程、涂料等方面的研究，纳 米材料自组装已成为人们关注的焦点。本文对近年来纳米组装 及自组装体系的研究进展作一概述。 １纳米微球材料 对纳米微球材料的探索已从单分散胶粒逐渐深入到核一壳 复合材料和空心微球等，其自组装领域的研究方兴未艾［１’２］。 单分散胶粒自组装具有长程有序性、光反射和光子能带、最大堆积密度、高比表面积等特殊性质，是目前凝聚态物理的热点。空心微球的空心部分可容纳大量的客体分子或大尺寸的客体，产生一些奇特的基于微观“包裹”、“封装”效应的性质，在医药、生化和化工等许多技术领域具有重要的作用［３］。 １．１球形粒子二维和三维超晶格 Ｍｉｒｋｉｎ等［４］发现用巯基修饰的低聚核苷酸（ＤＮＡ）片段保 图１球形Ａｕ纳米粒子的二维自组装 Ｆ喀１Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆＡｕｎａｎｏｂａｌｌｓ 适当改变球形纳米粒子的二维自组装条件，可以方便地得到纳米粒子三维自组装的晶体。Ｂａｗｅｎｄｉ领导的小组［７］将有烷基膦硫酸盐保护的球形ＣＡＳｅ纳米粒子（２ｒｉｍ）分散到烷烃中，得到稳定的溶胶。然后在８０℃和常压条件下加入到含１０％辛醇的辛烷中，缓慢减压。随着低沸点辛烷的挥发，球形纳米粒子三 ＊国家８６３计划项目（２００４ＡＡ００１５２０）资助 司伟：女，１９８０年生，博士研究生，研究方向为纳米材料及其物理化学 Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｍａｌｌｑｅ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ 万方数据
自组装制备纳米材料的研究现状 摘要 文章综述了纳米材料各种制备方法，提出了应用自组装技术制备纳米材料。评述了其在制备纳米材料时的机理、优缺点。综述了纳米材抖的各种制备方法，提出了应用自组装技术制备纳米材料。并对国内外应用自组装技术制备纳米材料(如纳米团簇、纳米管、纳米膜等)的研究现状进行了综述。 关键字：纳米材料自组装纳米团簇纳米薄膜 前言 纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，它所具有的独特性质，使它在磁学、电学、光学、催化以及化学传感等方面具有广阔的应用前景。自组装技术从纳米材料出现开始就一直应用于纳米材料的制备，只不过当时没有明确地将其作为一种方法提出。到目前为止，自组装技术已能用来制备纳米结构材料，如纳米团簇、纳米管、纳米环、纳米线、多孔纳米材料、功能化纳米材料、功能化纳米级膜及有机/无机纳米复合材料。 纳米科学 生命科学技术、信息科学技术和纳米科学技术是本世纪科技发展的主流方向。纳米科学技术是在纳米空间对原子、分子及其他类型物质的运动与变化规律进行研究，同时在纳米尺度范围内对原子、分子等物质结构单元进行操纵、加工的一个新兴科学领域。 著名物理学家诺贝尔奖获得者Richmd P．Feynman在1959年l2月指出”There is a plenty of room at the bottom”,并预言，如果人类按照自己的意志去安排一个个原子，将得到具有独特性质的物质。1981年G．Binning教授和H.Rohrer 博士发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy，STM)，使人类首次能够直接观察原子，并能通过STM对原子、分子进行操纵。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议，这标志着纳米科学技术作为一个新兴的领域正式形成，纳米材料学成为材料科学的一个新分支。2000年7月美国国家科学技术委员会宣布实施纳米技术创新工程，并将纳米计划视为下一次工业革命的核心。随后日本、德国、中国等国家也先后提出了本国的发展计划，这标志着在世界范围内的发展纳米科技的热潮到来。国内外科技界广泛认，纳米科技在本世纪将发挥极为重要的作用，如同20世纪70年代开始发展起来的微电子学技术推动了信息技术的发展，甚至像一个半世纪前将微米作为新的精度标准从而奠定了工业革命的基础一样，将对人类的生产、生活带来深远影响。“最早和最好学会使用微米科技的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势，同样，
新型两相体系中铂纳米自组装体的可控合成 柴占丽*，索全玉，王晓晶 1内蒙古大学，内蒙古呼和浩特市内蒙古大学化学化工学院，010021 作为阴极材料的铂基催化剂的耐久性差被公认为最大的问题之一，这一缺点可以通过设计合成铂的自组装纳米结构加以改善[1-3]。可是，铂的纳米自组装体在没有模板的情况下很难实现形貌控制。这里，我们分别利用新型固-液和液-液两相体系，合成了不同形貌的铂纳米自组装体，例如由纳米小颗粒组装而成的铂纳米球，由枝状小颗粒组装而成的铂空心纳米球, 由八面体纳米晶组装而成的Pt纳米花。并且，系统研究了反应时间、温度、溶剂极性等合成条件对Pt自组装体形貌的影响。结果，我们发现，两相界面的存在是不同Pt自组装体成型的主要原因，而体系的还原性、温度、反应时间等对Pt自组装体的形貌也具有一定影响。我们在这里提出了一种简单高效的制备纳米自组装体的方法，并且该方法可以推广其它纳米金属材料的合成当中。 关键词：两相体系，铂催化剂，自组装，可控合成 参考文献 [1] Xia B. Y.; Ng W. T.; Wu H. B.; Wang X.; Lou X. W. Angew. Chem. Int. Ed.2012, 124, 7325. [2] Unni S. M.; Pillai V. K.; Kurungot S. RSC Adv.2013, 3, 6913. [3] Zhou J.; Chen M.; Diao G. J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 2278. Novel Two-phase Synthesis of Platinum Nanoassembles Z hanli Chai*, Quanyu Suo, Xiaojing Wang College of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, P. R. China The short-term durability of Pt catalyst at the cathode is recognized as one of the key challenges, which could be improved by designing self-assembled Pt nanostructures.[1-3]However, the morphology control of Pt nanoassembles without template is limited to be achieved. Herein, different morphologies of Pt nanoassembles were synthesized in novel polyol-water mixture. Furthermore, the influences of reaction conditions, such as duration time, temperature, solution’s hydrophily, on the morphology of Pt nanoassembles were studied. As a result, the main incentive for these various Pt nanoassembles was the phase interface，meanwhile, other factors, such as the reducibility of the system, temperature, reaction time, could also impact on the morphology of Pt nanoassembles. Herein, a promising and facile procedure for self-assembled nanostructures was demonstrated, which could be used in other novel metals. 148
中国科学B辑:化学 2009年 第39卷 第10期: 1028~1052 https://www.doczj.com/doc/6b7766925.html, https://www.doczj.com/doc/6b7766925.html, 1028 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 功能纳米材料的化学控制合成、组装、结构与性能 彭卿, 李亚栋* 清华大学化学系, 北京 100084 * 通讯作者, E-mail: ydli@https://www.doczj.com/doc/6b7766925.html, 收稿日期：2009-07-13; 接受日期：2009-07-23 摘要维度限制使得纳米材料具有独特的物理和化学性质, 如何对纳米构造单元的结构进行调控, 并最终将纳米效应在宏观尺度上体现是当今纳米科技面临的挑战性问题, 纳米材料的化学控制合成方法学、组装、结构与性能的研究是解决上述问题的基础. 这篇综述文章从四个方面, 分别介绍了单分散纳米晶以及纳米管、纳米线、空心纳米微球等系列低维纳米结构在合成方法与技术、“自下而上”的组装、基于微结构的性能表征与应用探索等领域取得的研究进展, 试图总结出其中的规律性, 同时也展现了纳米科学与技术的魅力和广阔的发展前景. 关键词 功能纳米材料控制合成 组装 结构与性能 1引言 纳米材料至少有一个维度的尺寸处于纳米尺度, 这种维度限制造成了材料电子能级与态密度的显著变化, 从而使材料表现出独特的物理和化学性质[1~7]. 近十几年来, 以纳米材料为基础, 纳米科学与技术得以迅速发展, 在材料的合成以及光电、催化、环境、能源、生命科学等领域的研究与应用已深入展开并取得了瞩目的成果[8~29]. 然而, 纳米科学领域作为一门新兴学科, 发展尚不完善, 人们对介观层次物质的认识还很不足, 相对独立的理论没有建立, 新规律的研究还不系统. 当今纳米科技依然面临着如下的挑战性问题[30]：(1) 纳米材料的尺寸、结构、组成与性质之间关系的系统化明晰; (2) 如何能可控地获得高质量纳米材料、纳米结构并预知其性质; (3) 如何将纳米结构材料在宏观尺度上进行组装, 使微观尺度存在的纳米效应在宏观尺度得以体现, 以最终实现其宏观应用. 纳米材料的化学控制合成方法学与技术、组装、结构与性能的研究是回答上述基本问题的前提, 其目的是要实现纳米构造单元的单分散度和尺寸、维度、表面结构等参数的调控, 以及构造单元“自下而上”的组装、微结构与性能关系的明晰. 它涉及在纳米尺度上的物质制备、结构表征、纳米空间的化学反应、纳米尺度下物质所表现出来的物理和化学性质的研究, 目前已成为国内外非常重视的前沿热点. 相关研究将为揭开纳米材料微结构与性能的相关性、认识纳米世界的运动规律积累有价值的数据, 同时又为纳米材料、纳米技术在高科技领域的进一步应用提供了材料基础和技术保障. 纳米构造单元(纳米晶体)的结构调控实质可以归结到其成核与生长过程的调控, 这涉及到成核核心的晶体结构、体积、半径、表面能以及体系的过饱和度等诸多因素. 液相体系因其内部化学势易于调节、相界面容易构建, 结合外加表面活性剂, 可以调节粒子的表面能, 以及在局部形成微反应器等优势, 成为纳米材料化学控制合成的首选体系. 本文主要分为4个部分：第1、2部分综述了目前常见的纳米构造单元体系(纳米晶体), 包括具单分散性的纳米晶
纳米材料与纳米结构复习题 1. 简单论述纳米材料的定义与分类。答：广义上讲：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度围，或由他们作为基本单元构成的材料。 按维数，纳米材料可分为三类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称 2. 什么是原子团簇? 谈谈它的分类。 答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体(粒径一般等于或小于1nm) 例如：C n H m (n与m都是整数)；碳簇(C60、C70和富勒烯等) 原子团簇的分类： a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。 b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。 c多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等 d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag) n(NH 3)m等。 3. 通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常 灵敏的方法。100-400cm -1围出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式； 1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径 d 与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w 。式中的 d 单壁管的直径，nm；w 为特征拉曼峰的波数cm-1 4. 论述碳纳米管的生长机理。 答：采用化学气相沉积( CVD) 在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金 属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子 从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。 各种生长模型 1 、五元环－七元环缺陷沉积生长2、层－层相互作用生长3、层流生长 4、顶端生长 5、根部生长 6、喷塑模式生长 7、守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke) 的合理性 生长机理表面扩散生长机理：不是生长一单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管