1、1 1、納米技術(shù)、納米技術(shù) 基于物質(zhì)最小單元，加工新的材料和器件基于物質(zhì)最小單元，加工新的材料和器件 通過構(gòu)建原子尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)材料超級性能通過構(gòu)建原子尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)材料超級性能2 2、先進材料與先進材料加工、先進材料與先進材料加工 新的技術(shù)革命基礎(chǔ)新的技術(shù)革命基礎(chǔ) 隨著器件尺寸的減小，量子力學(xué)現(xiàn)象將成為主導(dǎo)隨著器件尺寸的減小，量子力學(xué)現(xiàn)象將成為主導(dǎo) 器件加工與系統(tǒng)組裝需要全新的途徑器件加工與系統(tǒng)組裝需要全新的途徑 納米材料與納米器件的加工成為納米科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)納米材料與納米器件的加工成為納米科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ) 高純度、產(chǎn)量，原子尺度結(jié)構(gòu)可控納米材料的合成高純度、產(chǎn)量，原子尺度結(jié)構(gòu)可控

2、納米材料的合成 納米結(jié)構(gòu)與性能的科學(xué)表征納米結(jié)構(gòu)與性能的科學(xué)表征 器件制造、納米操縱和納米器件的連接器件制造、納米操縱和納米器件的連接 系統(tǒng)集成與規(guī)模化生產(chǎn)系統(tǒng)集成與規(guī)模化生產(chǎn) 直接化學(xué)反應(yīng)法直接化學(xué)反應(yīng)法 不溶生成物方法不溶生成物方法 溶解去除法溶解去除法 均勻溶液沉淀法均勻溶液沉淀法 水熱合成法水熱合成法 熔鹽合成法熔鹽合成法 熱解法熱解法 火花電蝕法火花電蝕法 乳膠法乳膠法 膠團（膠束）法膠團（膠束）法 微乳液法微乳液法 氣溶膠法氣溶膠法 加熱法加熱法 蒸汽先驅(qū)物法蒸汽先驅(qū)物法 液體先驅(qū)物法液體先驅(qū)物法 固體先驅(qū)物法固體先驅(qū)物法 1、界面化學(xué)（、界面化學(xué)（interfacial chem

3、istry） 研究膠體分散體系（包括乳狀液、懸浮液、泡沫等粗分散體系）和界面化學(xué)現(xiàn)象的學(xué)科研究膠體分散體系（包括乳狀液、懸浮液、泡沫等粗分散體系）和界面化學(xué)現(xiàn)象的學(xué)科領(lǐng)域。領(lǐng)域。（colloid system） 由無數(shù)大小在由無數(shù)大小在10-910-6m之間的質(zhì)點分散于介質(zhì)中組成。之間的質(zhì)點分散于介質(zhì)中組成。3、表面張力（、表面張力（surface tension） 液體表面分子因受力不平衡而向液體內(nèi)部擠壓，表面積產(chǎn)生自動收縮的傾向，使得液體液體表面分子因受力不平衡而向液體內(nèi)部擠壓，表面積產(chǎn)生自動收縮的傾向，使得液體表面具有張力。表面張力和表面能（表面具有張力。表面張力和表面能（surface

4、 energy）是衡量分子間吸引力強弱的一種量）是衡量分子間吸引力強弱的一種量度。度。4、表面活性劑（、表面活性劑（surfactant） 如果一種物質(zhì)甲能夠顯著降低另一種物質(zhì)乙的表面張力，通常就說甲對乙具有表面活性。同時，如果一種物質(zhì)甲能夠顯著降低另一種物質(zhì)乙的表面張力，通常就說甲對乙具有表面活性。同時，稱甲為乙的表面活性劑。基本特性：稱甲為乙的表面活性劑。基本特性： 有機溶劑，且每個烴基要含有機溶劑，且每個烴基要含8個以上個以上c原子才能具有優(yōu)良性能；原子才能具有優(yōu)良性能； 分子結(jié)構(gòu)具有兩親（分子結(jié)構(gòu)具有兩親（amphiphilic）分子特征：）分子特征： 一端帶有極性集團，能和水形成氫鍵

5、，親水（一端帶有極性集團，能和水形成氫鍵，親水（hydrophilic） 一端為非極性烴基，疏水（一端為非極性烴基，疏水（hydrophobic） 兩個基本性質(zhì)：兩個基本性質(zhì)： 表面吸附：指表面活性劑分子從溶液內(nèi)部移至表面，在表面上富集表面吸附：指表面活性劑分子從溶液內(nèi)部移至表面，在表面上富集 定向排列：指表面活性劑分子在溶液表面形成定向排列的吸附層定向排列：指表面活性劑分子在溶液表面形成定向排列的吸附層5、膠團、膠團/束（束（micelle） 表面活性劑的兩個基本性質(zhì)使它在水溶液中可以聚集形成多種形式的分子有序組合體系，表面活性劑的兩個基本性質(zhì)使它在水溶液中可以聚集形成多種形式的分子有序組合

6、體系，在稀溶液中可形成膠團在稀溶液中可形成膠團 剛好能夠形成膠團時表面活性劑的濃度稱為臨界濃度（剛好能夠形成膠團時表面活性劑的濃度稱為臨界濃度（critical micelle concentration，cmc） 疏水基結(jié)合在一起形成內(nèi)核，親水基形成形成外層，這樣可以達到疏水基逃離水環(huán)境、而疏水基結(jié)合在一起形成內(nèi)核，親水基形成形成外層，這樣可以達到疏水基逃離水環(huán)境、而親水基和水結(jié)合的要求親水基和水結(jié)合的要求 加溶作用（膠團具有溶解油的能力）加溶作用（膠團具有溶解油的能力）6、反膠團（、反膠團（reversed micelle）：）： 在非極性溶劑中，有些表面活性劑可聚集（aggregate）

7、形成反膠團，即非極性疏水基向外、極性親水基團朝向內(nèi)核和水結(jié)合在一起。1、定義、定義 無論對于膠團（micelles）或反膠團（reversed micelles），其內(nèi)核只能溶解很少量的疏水物質(zhì)（如油等）或親水物質(zhì)（如水等）。但是，物質(zhì)被溶解能力可以通過進一步增加表面活性劑的濃度而得到加強。當(dāng)水或油的內(nèi)池被擴大或者卷曲起來的時候，液滴的尺寸將會比單層表面活性劑單原子層的厚度大很多。這時候，我們稱其為微乳液或者卷曲的膠團。膠團（膠團（w/o）、反膠團）、反膠團/微乳（微乳（o/w）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖2 2、反膠團及納米顆粒的形狀控制、反膠團及納米顆粒的形狀控制 隨表面活性劑濃度的進一步增加，

8、膠團將被破壞，其形狀將可以演變?yōu)榘魻睢⒘呅螤睢訝钅z團或者液態(tài)晶體。正是這些膠團形狀的變化為采用膠團合成微反應(yīng)器制備不同形狀的納米顆粒提供了可能性。表面活性劑表面活性劑- -油油- -水三相系統(tǒng)可能形成的自組裝結(jié)構(gòu)的相圖示意圖水三相系統(tǒng)可能形成的自組裝結(jié)構(gòu)的相圖示意圖水水油油表面活性劑表面活性劑層狀層狀六邊形狀六邊形狀球狀球狀立方相立方相圓柱狀圓柱狀球狀反膠團球狀反膠團1. 簡單幾何因素簡單幾何因素 膠團的結(jié)構(gòu)簡單決定于表面活性劑在界面處的幾何因素。包括：膠團的結(jié)構(gòu)簡單決定于表面活性劑在界面處的幾何因素。包括： a0 頭包面積頭包面積（head group area） v 烷基鏈體積烷基鏈體

9、積（alkyl chain volume） lc 最大長度最大長度 (maximum length，to which the alkyl chain can extend) 這些因素主要是從幾何填充的角度考慮的，它們將構(gòu)成填充參數(shù)（這些因素主要是從幾何填充的角度考慮的，它們將構(gòu)成填充參數(shù)（packing parameter） v/ a0 lc 。填充參數(shù)的取值將直接決定表面活性劑分子最終是聚集為膠團、小泡填充參數(shù)的取值將直接決定表面活性劑分子最終是聚集為膠團、小泡（vesicles）還是微脂粒）還是微脂粒（liposomes），并遵從下述規(guī)則：），并遵從下述規(guī)則： 1) 球狀膠團：球狀膠團：

10、v/ a0 lc 1/3 2) 非球狀膠團：非球狀膠團： 1/3v/ a0 lc 1/2 3) 小泡或雙分子層：小泡或雙分子層： 1/2 v/ a0 lc 1 4) 反膠團：反膠團： 1 v/ a0 lc臨界填充參數(shù)，臨界填充形狀，形成的形狀臨界填充參數(shù)，臨界填充形狀，形成的形狀臨臨界界填填充充參參數(shù)，數(shù)，臨臨界界填填充充形形狀，狀，形形成成的的形形狀狀2. 增溶作用和微乳液的形成增溶作用和微乳液的形成1）增溶作用）增溶作用（ solubilization ） 指疏水（親水）物質(zhì)在水（油）中的溶解量遠遠超過它們在水（油）中的正常溶解度。這樣，指疏水（親水）物質(zhì)在水（油）中的溶解量遠遠超過它們在

11、水（油）中的正常溶解度。這樣，在膠團（反膠團）內(nèi)部將形成一個疏水（親水）的環(huán)境，在此非極性（極性）的化合物可以反在膠團（反膠團）內(nèi)部將形成一個疏水（親水）的環(huán)境，在此非極性（極性）的化合物可以反應(yīng)形成。應(yīng)形成。溶解度隨溫度的變化四種通常的增溶機制：油相分子的位置2）微乳液（ microemulsions ）將油、水與數(shù)量相對較大的離子性表面活性劑/輔助表面活性劑(cosurfactant)相混合，瞬間就可以形成微乳液體系。微乳液是一種透明或半透明的液體，其內(nèi)球狀或柱狀微池的尺寸在8-100 nm。這樣的微池非常適合于制備球狀或棒狀的納米顆粒。微乳液關(guān)注的因素包括： 什么樣的三相體系； 微池或小

12、液滴的尺寸與形狀； 尺寸等同性 分散的均勻性水水- -表面活性劑表面活性劑- -輔助表面活性劑三相圖示意圖輔助表面活性劑三相圖示意圖1. 反膠團微乳液（反膠團微乳液（o/w）的組成）的組成 反膠團微乳液通常是由表面活性劑、輔助表面活性劑、有機溶劑和水等四種成分構(gòu)成的、反膠團微乳液通常是由表面活性劑、輔助表面活性劑、有機溶劑和水等四種成分構(gòu)成的、具有熱力學(xué)穩(wěn)定性的混合溶液。常見的組成物為：具有熱力學(xué)穩(wěn)定性的混合溶液。常見的組成物為： 表面活性劑表面活性劑 ： aot，sds，ctab，triton-x等；等； 輔助表面活性劑輔助表面活性劑 ：碳鏈長度為：碳鏈長度為c6-c8的脂肪族醇；的脂肪族醇

13、； 有機溶劑（油相）有機溶劑（油相） ：含有：含有6-8個碳原子的烷烴或者環(huán)烷烴個碳原子的烷烴或者環(huán)烷烴2. 由反膠團微乳液制備納米顆粒的特點由反膠團微乳液制備納米顆粒的特點 1) 微水池的尺寸可通過調(diào)整水的量進行人為控制；微水池的尺寸可通過調(diào)整水的量進行人為控制； 2) 所制備的納米顆粒不容易進行硬團聚；所制備的納米顆粒不容易進行硬團聚； 3) 容易對納米顆粒的表面作進一步的修飾。容易對納米顆粒的表面作進一步的修飾。3. 采用反膠團微乳液合成納米顆粒的兩種途徑采用反膠團微乳液合成納米顆粒的兩種途徑 1) 將兩種反膠團微乳液進行混合；將兩種反膠團微乳液進行混合； 2) 將一種反應(yīng)物溶解于反膠團，而另一種反應(yīng)物溶于水后混合。將一種反應(yīng)物溶解于反膠團，而另一種反應(yīng)物溶于水后混合。利用微乳液制備納米顆粒的反應(yīng)過程示意圖利用微乳液制備納米顆粒的反應(yīng)過程示意圖4. 4. 通過微乳法形成納米顆粒的三種途徑通過微乳法形成納米顆粒的三種途徑 1) 沉淀法：金屬硫化物，金屬氧化物，金屬碳酸鹽，鹵化銀 2) 還原法：金屬納米顆粒 3) 水解法：金屬氧化物 通過反膠團微乳法制備的baco3納米線的透射電子顯微鏡照片和電子衍射花樣5. 5. 采用膠團微乳液制備有機納米顆粒采用膠團微乳液制備有機納米顆粒通過膠團微乳液合成有機納米顆粒的示意圖i. 聚合前；ii