纳米管的自组装生长及其机理研究

免费毕业论文—多壁碳纳米管在球形胶束上的层层自组装(一)多壁碳纳米管可在很多类型的胶束模板上自组装，运用众所周知的聚电解质层层自组装技术。

密集的单层和多层碳纳米管可成功地在不同尺寸的硅、聚苯乙烯和三聚氰胺的球状胶粒上沉积，同时，表明较短的碳纳米管可全部在球的表面缠绕，而较长的碳纳米管伸出球的表面，同时与很多球接触。

脱除胶束模板，可形成空心的碳纳米管球。

用盐酸处理三聚氰胺碳纳米管颗粒可证明这一点。

胶束模版的脱除可在有序排列的聚苯乙烯颗粒上进行，进而形成纳米结构、可导电的碳纳米管聚集体。

用超声波破坏积聚体表明自组装可以只发生在半个胶束球体上，因此比较容易得到带有不对称功能性的“两半”颗粒。

引言自从富勒烯和碳纳米管的发现以来，由于它们具有独特的由结构决定的电学性能和机械性能，碳结构已成为广泛研究的对象。

最近几年，科研工作者已花费很大的力量制备不同形貌的碳并开发它们在复合材料、电化学元件、场发射元件、纳米尺度的电子元件和感应器等诸多领域的应用。

但是，碳纳米管功能化的方法以及处理和自组装方法的限制成为追求这些潜在应用的重大障碍，也是由于这个原因，碳纳米管的自组装和有序排列有待新的发展。

特别是，高品质的、均一的薄膜的制备是在宏观范围内研究它们的光学，光电和电学性能的一个基本的先决条件。

有关碳纳米管薄片制备的报道很多：包括把碳纳米管分散液喷涂在基体上、拉伸聚合物薄片时加入碳纳米管、表面活性剂分散的碳纳米管或是化学处理的碳纳米管衍生物在水中的伸展以致单层沉积、光电沉积、Langmuir-Blodge沉积以及层层自组装。

由于层层自组装在包装、电子设备、传感器和药物缓释等方面具有巨大的潜在应用，所以备受关注。

聚合电解质是层层自组装第一个也是最多的研究例子。

但是，其他的带电化合物例如核酸、蛋白质、多化合价的金属离子、离子染体、纳米颗粒甚至病毒也可以形成层层自组装的结构。

用这种方法不但制备出薄膜而且制备出大小和成分搭配合理的核壳结构颗粒——用核做模版在其上多层组装，接着移除核可以得到聚合物、无机或者有机无机杂化的中空胶囊。

纳米生物学中的自组装和自组装体引言纳米技术的快速发展使得人们对于纳米材料的应用和研究越来越感兴趣。

纳米生物学是纳米科技中的一项重要研究领域，它研究的是生物系统和生物分子的纳米级别结构、性质和功能。

自组装和自组装体是纳米生物学研究的重点之一，是研究纳米生物学的基础。

本文将详细介绍纳米生物学中的自组装和自组装体的相关内容。

一、自组装自组装是指无需外部控制，由分子间的相互作用而形成有序的结构过程。

自组装是一种普遍存在于生物体系和物质界中的现象。

在纳米生物学中，自组装是指利用生物大分子本身的特性，通过相互作用，形成一些具有自组装性质的生物大分子材料，主要包括蛋白质、核酸和多糖等高分子化合物。

自组装体是指由自组装形成的二维或三维有序结构，可以简单地理解为一种“自然组装”的化合物。

二、自组装体自组装体是一种复杂的纳米结构，由分子、聚集体或磁性粒子等成分组成。

在纳米生物学中，自组装体是一种非常重要的生物材料，被广泛应用于生物学、医学以及生物传感器、先进电子学和纳米器件等领域。

生物纳米颗粒是一种常见的自组装体，由生物大分子作为建筑单位组成，具有多种异构体形态。

例如，蛋白质自组装体可以形成纳米片、纳米管、纳米球等形状。

核酸自组装体可以形成G四方体、DNA纳米结、DNA纳米三角等形状。

三、自组装体在医学中的应用自组装体在医学中具有广泛的应用前景。

由于自组装体具有高度的特异性和可控性，能够对生物环境产生极小影响，因此在药物传输、肿瘤治疗和医学检测等方面具有独特的优势。

例如，在肿瘤治疗方面，自组装体能够具有高度选择性地靶向肿瘤细胞，并释放药物。

自组装体在药物传输中的应用也被广泛关注。

脂质体、聚合物自组装体、核酸自组装体等都有可能成为制备高效药物输送系统的新型载体。

四、自组装体在传感技术中的应用自组装体在传感技术领域中的应用受到了广泛的关注。

自组装体在传感技术中的应用主要基于其特殊的结构和性质。

例如，在DNA分子上修饰了纳米金颗粒，可以用于制备高灵敏的DNA传感器。

第46卷第10期2018年5月广　州　化　工Guangzhou Chemical IndustryVol.46No.10May.2018合成Imogolite 纳米管的挥发诱导自组装张茜茜,赵晓虹,施连旭(东北林业大学化学化工系,黑龙江　哈尔滨　150040)摘　要:利用溶液液滴挥发研究了合成Imogolite 纳米管的自组装行为,并利用透射电镜和电子衍射等手段研究了挥发干燥斑的结构㊂纳米管的聚集行为受溶液的浓度㊁pH 值及离子强度的影响㊂提出自组装过程的驱动机制可能包括液滴的毛细管流动和表面效应以及湿度性质㊂关键词:imogolite 纳米管;挥发诱导;自主装　中图分类号:O647.2　　文献标志码:A　文章编号:1001-9677(2018)10-0042-03作者简介:赵晓虹(1966-),女,博士,副教授,主要从高分子合成及性质研究㊂Evaporation-induced Self-organizations of Synthetic Imogolite NanotubesZHANG Qian -qian ,ZHAO Xiao -hong ,SHI Lian -xu(Department of Chemistry and Chemical Engineering,Northeast Forestry University,Heilongjiang Harbin 150040,China)Abstract :Synthetic imogolite nanotubes were found to self -assemble when a droplet of the aqueous solution was dried in ambient.The resulting deposit structures were investigated by transmission electron microscopy and electron diffraction.The aggregation behavior of nanotubes was dependent on the solution concentration,pH and ionic strength.The mechanism driving the assembly process was proposed,which may involve capillary flow and surface effects and wetting properties of the droplet.Key words :imogolite nanotubes;evaporation-induction;self-organization挥发诱导溶质自组装通过溶液不可逆挥发使纳米尺度的溶质在基质上自组装成独特㊁有序的复合结构,是一种能够在特定基质上使纳米材料形成各种沉积花样的简单方法,在诸如DNA /RNA 微阵列,蛋白质结晶,纳米刻蚀等生物及工业领域中具有广阔的潜在应用价值,因而对其机理的研究得到了相当多的关注[1-3]㊂对于悬浮纳米粒子体系,有研究报道胶体纳米微球的液滴挥发诱导自组装形成环形斑[4-6]㊂Deegan 等最先解释了环形聚集是湿度㊁毛细管流动㊁表面张力与挥发驱动的对流作用之间的相互作用结果[6-8]㊂然而,由于纳米微球间的各项同性相互作用,使得纳米粒子的聚集行为难以反映出挥发过程中动态流体流动的详细信息㊂碳纳米管(CNTs)是一种典型的一维结构,粒子间存在各向异性,其液滴挥发自组装行为的研究已有报道[3,9-10],然而由于其较差的溶解性,需要借助表面活性剂或表面修饰的方法来形成稳定分散的碳纳米管溶液㊂然而,表面活性剂的添加引入了额外的影响因素,影响聚集形态及其形成机制㊂因此,具有水溶性的一维纳米材料是研究溶液微滴挥发自组装的理想模型㊂Imogolite 是天然形成的单壁纳米管状结构的硅铝酸盐,也可以从溶液中人工合成,合成的Imogolite 与天然矿石性质相似㊂Imogolite 纳米管内径和外径约1nm 和2nm,长度可达微米,其化学组成为(OH )3Al 2O 3SiOH,其中SiOH 分布在Imogolite 纳米管的内壁,AlOH 位于管外壁表面㊂由于在管壁和管边缘分布着OH 基团,使得Imogolite 纳米管具有亲水性,而且,较高的零电点使得Imogolite 纳米管在较宽的pH 值内,都具有很好的水溶液分散稳定性㊂Imogolite 纳米管的各项异性结构及表面性质成为研究一维纳米材料溶液挥发自组装行为的理想模型㊂在此,我们利用透射电镜(TEM)㊁电子衍射(ED)㊁原子力显微镜(AFM)等手段研究了合成Imogolite 纳米管在不同条件下的挥发诱导自组装行为,探索其形成机制㊂1　实　验1.1　仪器与试剂JEOL 1011透射电子显微镜(TEM),工作电压为100kV,相机长度以金标准样品校正;Seiko SPA300HV /SPI3800N 原子力显微镜(AFM)显微镜,室温操作㊂所用试剂均为分析纯级,来源于商业购买,未进行进一步纯化,所有用水均为二次去离子水(18.2MΩ㊃cm)㊂1.2　实验方法Imogolite 的合成使用Farmer 等[11]的方法,最后的样品溶液使用去离子水透析去除未反应的硅酸㊁铝单体及氯化钠㊂液滴干燥过程在碳膜方华(Former)铜网上室温条进行,干燥斑的直径在0.5~1.0μm 范围㊂2　结果与讨论第46卷第10期张茜茜,等:合成Imogolite 纳米管的挥发诱导自组装43　2.1　溶液浓度Imogolite 纳米管液滴在干燥过程中的自组装行为受溶液的浓度影响㊂液滴挥发而形成的环形干燥斑划分成如图1所示的几个不同区域㊂图1　Imogolite 液滴挥发形成的环形干燥斑的不同区域示意图,a㊁b㊁c㊁d 分别表示干燥斑的不同区域Fig.1　Schematic illustration of a ring deposit formed by droplet evaporation of imogolite solution,Symbol a,b,c,d representdifferent regions in the deposit,respectively 将Imogolite 纳米管的稀溶液(0.01mg /mL)滴到镀有无定形碳膜的方华(Formvar)铜网上并在空气中挥发,纳米管在干燥斑的不同环形区域内形成不同取向的的有序结构㊂在中心区域(图1中的a 区域),Imogolite 纳米管束为横向排列并在各个方向扭曲在一起(图1a)㊂在图1所示的b 区域内,大量的Imogolite 纳米管束的排列方向与环形径向方向平行(图2b 中箭头A),也存在一些纳米管束偏离径向方向而扭向环形外侧(图2b 中箭头B)㊂b 区域的Imogolite 纳米管束选区电子衍射图(图2c)揭示了Imogolite 纳米管的堆积及取向㊂根据Barrett 等的Imogolite 纳米管堆积模型[12],衍射图中锐利的(100)㊁(110)和(210)衍射点表明Imogolite 纳米管为六方堆积结构,清晰的(002)㊁(004)和(006)衍射弧,进一步证实Imogolite 纳米管的取向排列㊂图2　环形干燥斑中心区域(图1中的a 区域)的明场电子显微镜照片(a);环形干燥斑中间区域(图1中的b 区域)取向imogolite 管束的明场电子显微镜照片(b);选区电子衍射(c)Fig.2　BF electron micrograph in the central region of a ring deposit (region a in Figure 1)(a);BF electron micrograph of orientated imogolite tube bundles in the intermediate region of a ring deposit (region b in Figure 1)(b);SAED pattern of orientated imogolite tube bundlesin the intermediate region (region b in Figure 1)of a ring deposit(c)图3a 为靠近环形干燥斑内边缘区域(图1所示的c 区域)的TEM 照片㊂比较图3a 和图2a 可知,Imogolite 纳米管束沿着环周边有序排列(箭头A 所示),在过渡区域也能看到一些排列不够规整的纳米管束(箭头B 所示)㊂图3b 为干燥斑外边缘(图所示的d 区域)的TEM 照片和选区电子衍射衍射(SAED)㊂在此区域,Imogolite 纳米管束沿着环形边缘表现出如箭头所示的两种取向,大部分管束与环边取向平行,而少部分管束沿着环的径向分布,且有些管束被留到了环外㊂两种不同取向管束的选区电子衍射表明,液滴干燥过程中去湿及环形斑的形成在液滴干燥自组装过程中起着重要作用㊂由于纳米管间的各项异性作用,纳米管倾向沿液体流动方向排列㊂当液滴在碳膜铜网上挥发过程中,去湿过程导致液滴的向内收缩,因此,向内去湿流动使Imogolite 管束形成取向排列㊂在挥发干燥初期,液滴和基底间接触线的几何限制,诱发外向的毛细管流动,使管束排列取向与液滴环边方向平行㊂而在液滴去湿过程中,毛细管流动会导致Imogolite 纳米管束向液滴顶部聚集,使其沿液滴的径向方向进行排列㊂因此,在干燥斑内部区域,纳米管束几乎为径向排列,而在干燥斑环边缘,纳米管束排列成沿环周的取向,并存在两者的交叠区域㊂由于水的高表面张力,Imogolite 纳米管采用六方堆积以降低了干燥过程中的表面能㊂图3　环形干燥斑内边缘(图1中的c 区域)的明场电子显微镜照片(a);环形干燥斑外边缘(图1中的d 区域)的明场电子显微镜照片及选区电子衍射(b)Fig.3　BF electron micrograph in the area close to inner edge of the ring deposit (region c in Fig.1)(a);BF electron micrograph andcorresponding SAED pattern of the outer edge of the ringdeposit (region d in Fig.1)(b)为进一步证实流体流动及表面效应对Imogolite 纳米管取向排列的作用,在50℃下,将硅片浸入到Imogolite 溶液(0.01mg /mL)中(图4a),结果大量的取向Imogolite 被获得㊂由于硅片基底的亲水性,在溶液面与基质接触线上溶液连续挥发下降,纳米管束在硅片上以垂直接触线方向不断沉积㊂通过硅片上Imogolite 纳米管的AFM 观察(图4b),可以证实这种排列㊂若将基质完全浸入到溶液内时,取向纳米管则会在整个基底进行沉积并均匀分布㊂Imogolite 的规整排列归因于垂直于溶液与亲水性基质交界面的表面张力㊂图4　硅片上的溶剂诱导挥发示意图(a);硅片基底上取向imogolite 的AFM(b)Fig.4　Schematic illustration of meniscus deposit method(a);Highly oriented imogolite deposited onto silicon wafersubstrate using meniscus deposit method monitored by AFM(b)44　广　州　化　工2018年5月当使用高浓度的Imogolite 溶液(0.05mg /mL)进行液滴挥发时,形成的环形干燥斑在中心区域出现部分有序纳米管束,而在边缘的纳米管束排列情况与图2相似㊂然而,当使用浓度为0.5mg /mL Imogolite 溶液进行液滴挥发时,Imogolite 纳米管在干燥斑中心区域形成了稠密的网络结构㊂在这样高浓度的Imogolite 溶液条件下,从明场电子显微镜图中,很难辨清单根Imogolite 纳米管(图5a)㊂但衍射环(图5a 内的插图)可以说明Imogolite 纳米管在基质上随机聚集㊂当液滴在真空条件下快速挥发,通过明场电子显微镜图片(图5b)及相应的选区电子衍射图(图5b 内的插图)可以看出,Imogolite 纳米管束为横向堆积,在中心区域有部分有序的取向管束,弧形的选区电子衍射图可以进一步说明这种排列㊂这些结果表明,尽管高浓度的纳米管具有强烈的缠结倾向,但溶液的快速挥发干燥增强了流体流动,使Imogolite 纳米管能够有序自主装㊂图5　0.5mg /mL 的imogolite 液滴干燥后的明场电子显微镜照片及选区电子衍射(a);0.5mg /mL 的imogolite 液滴在真空下快速干燥干燥后的明场电子显微镜照片及选区电子衍射(b)Fig.5　BF electron micrograph and corresponding SAED pattern of the imogolite tube bundles in the central region of a deposit formed by droplet evaporation of imogolite solution with high concentration (0.5mg/mL)(a);BF electron micrograph and corresponding SAED pattern of the imogolite tube bundles in the central region of a ring deposit formed by rapidly evaporation of imogolite droplet (0.5mg /mL)in vacuum(b)2.2　离子强度和pH值图6　Imogolite 液滴干燥斑的明场电子显微镜照片Fig.6　BF electron micrograph of the interior region of a ring depositformed by drying a droplet of imogolit solution在确保管束不发生凝聚条件下,少量NaCl 加入到Imogolite溶液中,用以增强溶液的离子强度,使液滴挥发干燥过程中,纳米管的自组装需要响应由此而增加的表面张力㊂结果发现,纳米管形成了不规整且中空的缠结网络结构(图6a)㊂由于Imogolite 的独特结构,其纳米管的表面性质强烈依赖pH 值㊂在酸性或中性溶液中,纳米管均形成了有序的取向排列,没有明显不同㊂这表明,在酸性条件下,正电性的纳米管之间的静电斥力作用与液滴干燥过程中的流体流动作用无关,纳米管在形成环形干燥斑过程中仍然沿流动方向进行自组装㊂然而,通过加入NaOH 使pH 值升高到7.5时,纳米管形成了随机分布的网络结构,且有部分聚集成簇(图6b)㊂3　结　论对单壁Imogolite 纳米管在碳膜铜网上的液滴挥发自组装行为的研究表明,溶液浓度对纳米管的有序排列起关键性作用㊂在空气氛下Imogolite 稀溶液的微液滴干燥斑的不同区域形成了多种取向,其自组装驱动的机理可能包含毛细管流动和表面效应以及微滴的湿度性质的相互作用,在低浓度下对Imogolite 纳米管取向的观察证明了环形干燥斑的形成机理㊂此外,纳米管的聚集行为也受到溶液的pH 值和离子强度的影响㊂参考文献[1]　Ma H,Hao J.Ordered patterns and structures via interfacial self -assembly:superlattices,honeycomb structures and coffee rings [J].Chem.Soc.Rev.,2011,40:5457-5471.[2]　Kang S H,Hwang W S,Lin Z,et al.A Robust Highly Aligned DNANanowire Array -Enabled Lithography for Graphene Nanoribbon Transistors[J].Nano Lett.,2015,15:7913-7920.[3]　Thorkelssona K,Baia P,Xu T.Self -assembly and applications ofanisotropic nanomaterials:A review[J].Nano Today.,2015,10:48-66.[4]　Sommer A P.Limits of the Impact of Gravity on Self -OrganizingNanospheres[J].J.Phys.Chem.B,2004,108:8096-8098.[5]　Antonietti M,Hartmann J,Neese M,et al.Highly Ordered Size -Dispersive Packings of Polydisperse Microgel Spheres[J].Langmuir,2000,16:7634-7639.[6]　Deegan R D,Bakajin O,Dupont T F,et al.Capillary flow as the causeof ring stains from dried liquid drops[J].Nature,1997,389:827-829.[7]　Deegan R D.Pattern formation in drying drops[J].Phys.Rev.E.,2000,61:475-485.[8]　Deegan R D,Bakajin O,Dupont T F,et al.Contact line deposits in anevaporating drop[J].Phys.Rev.E,2000,62:756-765.[9]　Duggal R,Hussain F,Pasquali M.Self-Assembly of Single-WalledCarbon Nanotubes into a Sheet by Drop Drying [J].Adv.Mater.,2006,18:29-34.[10]Shimoda H,Oh S J,Geng H Z,et al.Self -Assembly of CarbonNanotubes[J].Adv.Mater.,2002,14:899-901.[11]Farmer V C,Fraser A R,Tait J M.Synthesis of imogolite:a tubularaluminium silicate polymer[J]m.,1977,13:462-463.[12]Kang S H,Wu N,Grinthal A,et al.Meniscus Lithography:Evaporation -Induced Self -Organization of Pillar Arrays into Moire Patterns[J].Phys.Rev.Lett.,2011,107:177802.。

!!!"!"!!!"!"综述收稿日期：２００６－０２－２１。

收修改稿日期：２００６－０３－１６。

国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．９０３０６０１１，２０３４１００３）。

＊通讯联系人。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｌｅｉ＠ｉｃｃａｓ．ａｃ．ｃｎ第一作者：刘欢，女，２９岁，博士；研究方向：无机纳米材料。

纳米材料的自组装研究进展刘欢１翟锦２江雷＊，２，１（１国家纳米科学中心，北京１０００８０）（２中国科学院化学研究所，北京１０００８０）摘要：本文主要评述了近年来纳米材料自组装的研究进展，即对以纳米材料（包括零维的纳米粒子和一维的纳米管／线）为单元而开展的自组装方面的工作进行了介绍。

将纳米材料自组装为各种尺度的有序结构会产生更优异的整体的协同性质，这对于以纳米材料为基础而构筑的微纳米器件有着重要的意义。

由于目前纳米材料的研究主要集中在零维和一维体系，因此，本文分别就此两种体系的自组装行为进行了评述。

具体内容包括：单分子层薄膜修饰的无机纳米粒子的自组装、大分子修饰的无机纳米粒子的自组装、未被修饰的无机纳米粒子的自组装；表面张力及毛细管力诱导的一维纳米材料的自组装、模板诱导的一维纳米材料的自组装、静电力诱导的一维纳米材料的自组装。

关键词：自组装；纳米粒子；纳米线；纳米管；图案化表面中图分类号：Ｏ６１１．４文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４８６１（２００６）０４－０５８５－１３ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＳｅｌｆ－ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＮａｎｏ－ＭａｔｅｒｉａｌｓＬＩＵＨｕａｎ１ＺＨＡＩＪｉｎ２ＪＩＡＮＧＬｅｉ＊，２，１（１ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｆｏｒＮａｎｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０）（２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｒｏｍｏｕｒｒｅｓｅａｒｃｈｇｒｏｕｐ，ａｒｅｖｉｅｗｈａｓｂｅｅｎｍａｉｎｌｙｇｉｖｅｎｔｏｔｈｅｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｎａｎｏｗｉｒｅｓ／ｔｕｂｅｓ，ｉｎｔｏｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｒｅｇｕｌａｒｐａｔｔｅｒｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｓｕｃｈｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｓｔｒａｔｅｇｙｈａｓｐａｒａｍｏｕｎｔｉｍｐｏｒ－ｔａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ－ｂａｓｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｎｔｅｎｔｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅ：ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｂｙｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｄｍｏｎｏｌａｙｅｒ（ＳＡＭ），ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｉｎｏｒ－ｇａｎｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｂｙｍａｃｒｏ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒ，ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｎａｋｅｄｉｎｏｒｇａｎｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｔｅｍｐｌａｔｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｃａｐｉｌｌａｒｙｆｏｒｃｅｉｎｄｕｃｅｄｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍ－ｂｌｙｏｆｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅｉｎｄｕｃｅｄｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ；ｎａｎｏ－ｐａｒｔｉｃｌｅ；ｎａｎｏｗｉｒｅｓ；ｎａｎｏｔｕｂｅｓ；ｐａｔｔｅｒｎｅｄｓｕｒｆａｃｅ所谓自组装，是指基本结构单元（分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术［１］。

自组织tio2纳米管阵列的制备及形成机理
近年来，由于它良好的生物相容性，纳米TIO2管阵列（nanotube arrays，NTA）的应用在多个领域大大增加，如生物传感，能量元件和材料等。

在最近的一项研究中，科学家们报道了一种自组织、简便且性能优异的TIO2纳米管阵列製備。

这种製備方法使用了快速冷萃取（rapid quenching），即以可控方式在短暂时
间内将反应体系的温度从室温迅速降至较冷的温度。

TIO2纳米管阵列由以硅氧烷（SiO2）为支架的二氧化钛（TiO2）纳米管所组成，其管径约为5-20纳米。

实验表明，快速冷萃取技术可以保持原始溶液的稳定性，同时快速改变反应体系的状态，确保不超过某种温度，促使TIO2纳米管在可预测的时间节点凝结成纳
米管阵列。

此外，由于晶体缺陷的存在，当原料溶液中含有氧。

纳米自组装技术的原理及特点大家好，今天我们来聊聊一个非常神奇的技术——纳米自组装技术。

这个技术可厉害了，它可以让一些小小的东西在我们的眼前变出各种奇妙的形状。

那么，纳米自组装技术的原理是什么呢？它又有什么样的特点呢？接下来，就让我们一起揭开这个神秘技术的面纱吧！我们来了解一下纳米自组装技术的原理。

简单来说，纳米自组装技术就是利用某些特殊的材料，通过它们之间的相互作用，让这些材料自动地组成各种各样的结构。

这些结构可能是一个小小的球体，也可能是一个复杂的三维网络。

而且，这些结构的形状和性能都是由材料本身的性质决定的，而不是由我们人为地设计出来的。

这就好像是我们把一些零散的小零件放在桌子上，然后等待它们自己组合成一个完整的机器一样。

那么，纳米自组装技术有什么特点呢？它的应用范围非常广泛。

无论是在化学、生物、医药还是材料科学等领域，都可以找到纳米自组装技术的身影。

这就意味着，这个技术可以为我们解决很多实际问题提供帮助。

比如说，我们可以用纳米自组装技术制造出更加高效的太阳能电池板；或者利用它来研究病毒的结构和功能，从而开发出更有效的疫苗。

纳米自组装技术的成本相对较低。

因为这个技术是基于材料本身的性质进行设计的，所以我们不需要额外投入大量的人力和物力来研发新的药物或材料。

相反，我们只需要对现有的材料进行改进和优化就可以了。

这样一来，就可以大大降低研发的成本和风险。

纳米自组装技术具有很高的可控性。

因为我们是根据材料本身的性质来进行设计的，所以我们可以精确地控制每一个步骤和结果。

这就使得我们可以在不同的条件下得到相同的结果，从而为研究提供了更多的便利。

纳米自组装技术是一个非常神奇和有用的技术。

它不仅可以为我们解决很多实际问题提供帮助，还可以为我们带来更多的创新和发展机会。

希望大家能够对这个技术有更多的了解和认识，也期待着它在未来能够为我们带来更多的惊喜和突破！。

自组装纳米结构的制备与应用随着纳米科技的发展，人们对于纳米结构的研究与应用也越来越广泛。

自组装纳米结构作为一种新型的制备技术，其制备方法简单、可控性好、经济实用等优点受到研究者的广泛关注。

本文将从自组装纳米结构的原理、制备方法以及应用展开讨论。

一、自组装纳米结构的原理自组装纳米结构是利用水平自发地分子运动在一定的条件下形成有序的纳米结构的一种制备方法，它的主要原理是靠分子间的相互作用对自身进行组装。

自组装纳米结构具有高效性、自组织性、有选择性等优点，能够形成具有灵活性、多样性的结构，因而越来越广泛的应用于生物、化工、电子等领域。

二、自组装纳米结构的制备方法以自组装纳米微球的制备为例，主要分以下几步：1. 制备模板模板是自组装纳米微球的基础，模板的大小可以影响得到的微球的粒径。

常用的模板材料有聚苯乙烯乳胶微球、介孔硅、碳纳米管等。

其中介孔硅和碳纳米管因为具有孔洞结构，可以改变通道大小来控制微球粒径。

2. 选择自组装材料自组装材料是形成自组装纳米结构的基础，其物理性质、化学组成等决定了最终形成的结构的大小、形状和组成。

自组装材料可选择聚丙烯烷、聚苯乙烯等性质较好的聚合物成分。

3. 自组装的实现将自组装材料溶解于水中，调整好浓度和pH值，与模板在一定的反应条件下混合在一起，形成自我组装的过程，等待一定时间后，形成了自组装纳米微球。

其中反应条件包括温度、时间、相对湿度等。

4. 模板去除利用酸或盐酸等化学方法，去除模板，得到自组装纳米微球。

三、自组装纳米结构的应用自组装纳米结构在许多领域得到了广泛应用。

1. 在电子领域中，自组装纳米结构可用于制备导电材料、光电材料等，具有极高的应用价值。

2. 在生物领域中，自组装纳米结构用于制备微生物传感器、生物药分子载体、药物缓释系统等。

3. 在化学领域中，自组装纳米结构可用于制备新型的催化剂、吸附剂等，提高反应效率和纯度。

4. 在石油工业、纺织业等领域，自组装纳米结构用于制备高强度、高韧性的新材料等。

深入了解纳米科技中的自组装现象纳米科技中的自组装现象是一种自然界中常见的现象，也是纳米材料制备和应用中重要的原理之一。

在纳米尺度下，物质的颗粒呈现出独特的性质和行为，自组装作为一种有效的方法，被广泛应用于纳米材料的合成和组装。

本文将深入了解纳米科技中的自组装现象，从自组装的基本原理、应用案例和未来发展趋势等方面进行探讨。

自组装是指在特定的条件下，分子或粒子之间通过非化学反应的力相互作用，自发地组装成有序的结构或功能性物体的过程。

在纳米尺度下，物体的表面积与体积之比相对较高，这导致了分子和纳米粒子之间的相互作用对材料性质的重要影响。

纳米材料的自组装依赖于分子间的相互作用力，包括范德华力、静电作用力、氢键作用力等。

这些相互作用力在纳米尺度下表现出来的效应是独特的，使得纳米材料具有特殊的性质和现象。

纳米颗粒在自组装过程中经常形成有序的排列结构，如纳米线、纳米管、纳米球等。

这种有序结构能够控制纳米材料的物理、化学和光学性质，因此在纳米电子学、光学和能源领域有着广泛的应用前景。

例如，在光电子器件中，通过纳米颗粒的自组装可以调整材料的能带结构，从而实现光的吸收、传输和发射等功能。

在纳米催化剂的制备中，通过自组装可以获得具有高活性且可控形貌的纳米材料，提高催化性能。

此外，纳米颗粒的自组装还能用于制备纳米传感器、纳米机器人等功能性材料，实现对微观世界的精确控制和操纵。

另外，纳米颗粒的自组装现象也在生物医学领域得到了广泛应用。

生物学中常见的自组装现象包括蛋白质的折叠、DNA的双螺旋结构等。

通过模拟这些自组装现象，科学家们可以设计出新的药物传递系统、基因传递载体等。

例如，通过纳米颗粒的自组装，可以封装药物或基因，形成纳米粒子，实现药物的高效传递和基因的精确转导。

这种纳米颗粒的自组装载体能够提高药物的稳定性和靶向性，减轻药物在体内的副作用。

未来发展中，纳米科技中的自组装现象仍有许多挑战和机遇。

一方面，如何精确控制纳米颗粒的自组装过程，实现可预测性和可重复性，是当前的研究热点之一。

生物纳米器件设计自组装与多样性调控生物纳米器件是一种利用生物分子（如DNA、蛋白质等）构建的微小器件，可以用于诊断、成像、药物传递等领域。

其中，自组装和多样性调控是设计生物纳米器件的重要原理和策略。

自组装是指通过生物分子间的相互作用，使得生物纳米器件能够自行组装成特定的结构和形状。

生物纳米器件的自组装依赖于分子间的非共价相互作用，如氢键、范德华力等。

通过合理设计生物分子的序列和结构，可以实现生物纳米器件的自组装。

例如，利用DNA分子的互补碱基配对原理，可以把DNA纳米颗粒组装成复杂的结构，如纳米管、纳米盒等。

同时，通过引入功能性分子或化学修饰，还可以赋予生物纳米器件更多的性质和功能。

自组装技术不仅可以实现生物纳米器件的高效制备，还可实现器件的多样性调控。

多样性调控是指通过改变生物纳米器件的分子组成、结构和表面性质，使其具备多样化的功能和性能。

通过合理设计器件的组成和结构，可以实现生物纳米器件的多样性调控。

例如，在设计DNA纳米器件时，可以通过选择适当的DNA序列来调控器件的结构形状、稳定性等。

此外，还可以利用化学修饰、功能性基团的引入等方法，实现对生物纳米器件的功能调控，如药物传递、生物传感、光学成像等。

多样性调控可以使生物纳米器件具备更广泛的应用场景，并适应不同的研究和应用需求。

生物纳米器件的设计自组装与多样性调控不仅需要对生物分子的特性和相互作用有深入的理解，还需要提供有效的设计工具和方法。

目前，生物纳米器件的设计和调控主要依靠计算机辅助设计和实验合成相结合的方法。

计算机辅助设计可以通过模拟计算和预测，指导生物纳米器件的设计和组装过程。

实验合成则是验证设计的关键环节，通过合成并表征生物纳米器件的结构和性能，评估其功能和适用性。

研究者通过不断改进设计工具和方法，努力实现生物纳米器件的高效自组装和多样性调控。

生物纳米器件的设计自组装与多样性调控在生物医学和纳米科技领域具有广泛的应用前景。

它们可以用于靶向药物传递，提高药物的疗效，减少副作用。

纳米碳管的形成机制纳米管或纳米线的成核阶段大符合气—液—固（简称VLS）生长机制，有些符合气—固（简称VS）生长机制，其中最紧要的是VLS机制。

VLS机制是由Wagner和Ellis于1964年为了解释包含杂质的晶须定向生长而提出的。

后来发觉VIS机制在薄膜和晶体生长中也占有很紧要的位置。

以硅纳米线的形成过程为例：首先在硅衬底上沉积一层金膜，然后将其加热至950℃，膜中的金原子与衬底表面的硅原子发生反应，形成Au—Si合金小液滴。

由SiCl4气体中裂解出的硅原子从一侧面不断地溶入合金小液滴，并在液滴内部扩散，造成硅在合金小液滴中的过饱和，然后过饱和硅再从合金小液滴的另一侧析出，这种溶解—扩散—析出的过程导致了硅线的生长。

采纳CVD方法制备纳米管时，一般是依照VLS机制生长，特别是在有催化剂作用下，气体反应物在反应室通过裂解反应生成一维纳米管的过程就是依照VLS机制生长。

VS生长机制是生长纤维和纳米线的另外一种紧要的生长机制，其特点是生成物气体在过饮和状态下凝结为固体时，假如有一个合适的择优取向，从形核处就会沿肯定的方向生长而成为一维形态的纤维或纳米线。

事实让，通过VS 机制产生纤维或纳米线的原因很多而杂，由于生成物气体在过饮和状态下凝结为固体时更简单生成颗粒。

在纳米线的合成中，都使用了N2或Ar作为流动载气，这些气体本身并不肯定参加反应，但流动的载气明显对纤维或纳米线的生长有利。

很多讨论者认为，较低的生成物气体分压有利于一维线状材料的生成。

N2或Ar作为流动的载气带走了气态的生成物，在肯定的区域内使生成物有较低的分压，假如有合适的沉名优基底和合适的生长条件，就可能生成纤维，纳米管或纳米线。

纳米碳管的生长有其特别性，很多问题难以用传统的晶体生长理论来解释。

如碳的同素异构体很多，在什么条件下可生长出纳米碳管，为何有的是单壁管而有的是多壁管，为何多层纳米碳管会封口等，这些都涉及纳米碳管的生长机理，只有清楚地了解其生长机理，才能够在制备过程中有目的地掌控纳米碳管的结构和性能。

利用自组装技术制备多孔纳米材料的研究近年来，利用自组装技术制备多孔纳米材料的研究逐渐受到人们的关注。

这一领域的研究旨在利用纳米材料的特殊性质和多孔结构，在电子器件、分离纯化、催化反应等领域实现更高效、更精密的应用。

下面，我们将详细介绍利用自组装技术制备多孔纳米材料的研究现状和未来发展方向。

一、多孔纳米材料的定义及制备方法所谓多孔纳米材料，就是具有一定孔径和孔隙分布的纳米材料。

这些孔隙可以被用于吸附物质、分离物质、传递电子等多种应用。

目前，制备多孔纳米材料的方法主要包括模板法、自组装法、溶胶凝胶法等。

其中，自组装法是制备多孔纳米材料的较常用、较具吸引力的方法之一。

二、自组装法制备多孔纳米材料的优点与其他制备方法相比，自组装法的最大优点之一是具有天然的分级结构和多级结构。

自组装的过程中，分子之间的特定相互作用会发生，从而导致自组装单元的有序排列，形成不同等级、不同尺度的结构体。

这种结构与自然界中的大分子体系相似，因而被认为具有更好的应用前景。

此外，自组装法制备出的多孔纳米材料的孔隙大小、孔隙形状以及孔隙分布状况都能够通过控制自组装的条件进行调节。

三、自组装法制备多孔纳米材料的研究进展虽然自组装法制备多孔纳米材料的研究时间并不长，但已经涌现出了许多成功的案例。

例如，利用自组装法制备出的碳纳米管等材料，其孔径分布均匀、孔隙率高，具有良好的导电性和导热性，被广泛应用于电子器件领域。

另外，用自组装法制备的金属氧化物材料，其孔径分布和孔隙率可通过控制自组装的条件进行调节，被应用于分离纯化、催化反应等多个领域。

这些结果表明，自组装法制备多孔纳米材料已经具备了实际应用的条件。

四、自组装法制备多孔纳米材料的未来发展虽然目前自组装法制备多孔纳米材料已经取得了一定的进展，但仍面临着一些挑战和难题。

例如，多孔纳米材料的制备过程需要耗费大量的时间和成本，限制了其规模化应用的进程；另外，多孔纳米材料的稳定性和可靠性等问题，也需要进一步解决。

半导体纳米材料生长机理以及应用半导体纳米材料的生长机理以及应用半导体纳米材料是一种具有重要科学及工程应用的纳米材料。

它们具有显著的物理和化学特性，其最大尺寸在20-100 nm之间。

半导体纳米材料特别适用于物理、化学、生物、计算机和光电子学等领域。

半导体纳米材料的生长机理是从化学原理中解释的。

本文将讨论半导体纳米材料的生长机理以及应用。

半导体纳米材料的生长机理半导体纳米材料的生长机理基于化学原理中的自组装法。

自组装是一种自上而下的建立定向性结构的方法。

半导体纳米材料的自组装生长机理包括以下几个过程：第一，可控溶剂的选择。

半导体纳米材料的制备与溶液的稳定性有关。

合适的溶剂可以提高材料的稳定性和性能。

第二，物种选择。

这包括半导体材料的选择、nanoparticle物质的化学表面修饰，以及电子传输层的选择等。

第三，可控的溶液剂剂量。

质量和形状的控制是优化制备的关键。

第四，粒子生长和配对，质量分散度的控制、缓慢的Nucleation Pathway等方面的精细控制。

半导体纳米材料的应用半导体纳米材料具有重要的科学和工程应用。

这些应用包括：第一，纳米荧光探针。

纳米荧光探针是利用金属纳米和半导体量子点的荧光性质来探测生物分子、细胞或分子的技术。

这可以用于医学、环境监测、食品检测和生物学等方面。

半导体纳米材料作为荧光探针的重要应用领域之一，也可以用于半导体为基础的太阳电池和发光二极管。

第二，纳米电子器件。

半导体纳米材料可以应用在纳米电子器件中。

例如，纳米管晶体管可以通过由金属-半导体薄膜间的传输高度限制来实现长滞留时间和高载流子迁移率。

这也可以应用于半导体纳米材料为基础的集成电路。

第三，磁性材料。

磁性半导体和磁性材料可以用于磁性存储媒介、磁性随机进存储器、医疗磁共振和生物传感器等领域。

磁性纳米颗粒的结构和形状可以通过选择正确的合成方法控制。

通过调整粒子形状和尺寸可改变磁性材料的磁化特性。

第四，生物疫苗和药物传输。

蛋白纳米管自组装机制及其在药物输送中的潜力引言：近年来，纳米技术的发展为药物输送领域带来了新的突破。

蛋白纳米管作为一种重要的纳米载体，具有良好的生物相容性、降解性和可调控性，在药物输送中展示出巨大的潜力。

本文将探讨蛋白纳米管的自组装机制以及其在药物输送中的应用前景。

1. 蛋白纳米管的自组装机制蛋白纳米管的自组装是一种非常复杂的过程，涉及到多种相互作用力的协同作用。

首先，蛋白质分子通过水合作用自发地聚集形成亚微米级的颗粒，然后这些颗粒通过非共价相互作用力，如静电相互作用、范德华力和氢键等，继续聚集形成长而细的管状结构。

最终，这些管状结构通过自组装进一步形成蛋白纳米管。

其中，蛋白质的序列和结构在自组装过程中起着关键的作用。

2. 蛋白纳米管在药物输送中的应用潜力蛋白纳米管作为药物输送系统的载体，在药物输送中具有许多优势。

2.1 高度可调性蛋白纳米管可根据药物的特性进行调整，以提高输送效率和药物释放的准确性。

通过改变蛋白质的序列、结构和功能基团的修饰，可以调控纳米管的外形、大小和荷载能力。

这使得人们能够根据不同的药物需求来设计和制备具有特定功能的纳米管。

2.2 生物相容性和降解性蛋白纳米管是一种天然的生物纳米材料，具有良好的生物相容性和生物降解性。

与其他纳米材料相比，蛋白纳米管在体内会受到更少的免疫反应，并且可以通过代谢途径迅速降解和清除，减少了潜在的毒性和副作用。

2.3 高效的药物运载和释放能力蛋白纳米管具有较大的比表面积和孔隙结构，可以高效地吸附和载运各种类药物。

同时，蛋白纳米管的管道结构提供了药物释放的控制机制。

药物可以通过调整管道的大小、形状和表面改性来实现缓释或靶向释放，增加药物在靶组织中的浓度，减少药物的丢失和副作用。

2.4 靶向性和多功能性蛋白纳米管可以通过合理的表面修饰和功能基团的引入，增加靶向性和特定效应。

例如，通过在纳米管表面修饰适当的抗体或配体，可以实现对特定细胞或组织的靶向输送。

BCN纳米管的制备及其生长机理的研究的开题报告一、研究背景和意义纳米管技术是目前纳米材料中备受关注的研究领域之一，BCN纳米管作为新型的一种纳米材料，在电子学、光电学、催化、能源存储等领域具有广泛的应用前景。

BCN纳米管是以三元碳烯为原料，通过模板方法制备出的一种纳米材料，它具有独特的性质，如高度的热稳定性、良好的导电性和力学强度，因此在电子器件方面具有重要的应用性能。

目前，对BCN纳米管的制备和生长机制方面还存在很多的问题，因此对于BCN纳米管的研究具有非常重要的理论研究和应用价值。

二、研究内容和方法（一）研究内容本课题主要研究BCN纳米管的制备及其生长机理的研究，介绍了BCN纳米管的结构和性质，并采用模板方法制备BCN纳米管。

通过SEM、TEM和XRD等手段研究BCN纳米管的表面形貌、结构及晶体结构，进而探讨BCN纳米管的生长机制。

此外，还将考察BCN纳米管的物理和化学性质，包括电子传输性能、电化学性能、催化性能等。

（二）研究方法本研究主要采用以下几个方面的方法：1. 模板方法制备BCN纳米管；2. 采用SEM、TEM等手段研究BCN纳米管的表面形貌、结构和晶体结构；3. 利用XRD等手段分析BCN纳米管的晶体结构；4. 考察BCN纳米管的物理和化学性质，包括电子传输性能、电化学性能、催化性能等。

三、预期成果1.通过模板法成功制备高质量的BCN纳米管；2.系统研究BCN纳米管的生长机理和特性，探讨BCN纳米管的制备和调控方法；3.研究BCN纳米管的物理、化学性质，评估其在电子器件、光电器件、催化剂、能源存储等领域应用的潜力。

四、时间安排第1-2周：熟悉研究领域，查阅相关文献资料；第3-4周：学习BCN纳米管的制备技术，掌握模板法制备BCN纳米管的方法；第5-6周：对制备的BCN纳米管进行表面形貌、结构和晶体结构的研究；第7-8周：采用XRD等技术分析BCN纳米管的晶体结构；第9-10周：研究BCN纳米管的物理、化学性质；第11周：总结并撰写开题报告，准备答辩。