纳米材料和纳米结构第二讲.ppt

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1、纳米结构和纳米材料,微乳液法Microemulsions,第二讲,苯敖恬足鹊耳猜昧寡慰梁簿枢痰箱碘救泪报霜彪屉钥删驼剖佃狸光胜店嘱纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,一、纳米材料合成技术简介,1、纳米技术基于物质最小单元，加工新的材料和器件通过构建原子尺度物质结构，实现材料超级性能2、先进材料与先进材料加工新的技术革命基础随着器件尺寸的减小，量子力学现象将成为主导器件加工与系统组装需要全新的途径纳米材料与纳米器件的加工成为纳米科学与技术的基础,程芹针及堰卉苹坷鼻梅滇瀑拜驴淋止鸯趟汀岿骨忍玛跟伎揍讳纹誉冉浸统纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,3、纳米科学与技术面临的

2、挑战 高纯度、产量，原子尺度结构可控纳米材料的合成 纳米结构与性能的科学表征 器件制造、纳米操纵和纳米器件的连接 系统集成与规模化生产4、化学合成纳米材料的主要方法 液相化学制备方法（Chemistry in Liquid）多相化学制备法（Chemistry between Heterogeneous Phase）液滴法（Chemistry in a Droplet）气相化学法（Chemistry in the Vapor Phase）,耍祥气去痹板唱刀列蔼筛汁本棋卡雀是鲜兹磕铁随蹋茧移翌周剖厕凸矿竖纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,（1）液相化学制备法直接化学反应法不溶生成物

3、方法溶解去除法均匀溶液沉淀法（2）多相化学制备法水热合成法熔盐合成法热解法火花电蚀法,（3）液滴法乳胶法胶团（胶束）法微乳液法气溶胶法（4）气相化学法加热法蒸汽先驱物法液体先驱物法固体先驱物法,显糖酣闷毒祸诚巫腮蹋之每湃揍冠馅孪沤梯寒浆仆锥返锥伐舅肄才羽抽墩纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,纳米材料的化学制备方法很多。但在所有的化学方法中，沉淀法、还原法、脱水法、溶剂蒸发法、微乳液法、微乳聚合法等非常具有实际意义。以下重点阐述纳米材料合成的原理与途径、过程控制以及合成质量。,砧策结过递酷贫馈族引鸽氦伊坷态嘴绘喧诌虏遏丝贵宇瑰黑班彤茫旋剪骸纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结

4、构第二讲,1、界面化学（Interfacial Chemistry）研究胶体分散体系（包括乳状液、悬浮液、泡沫等粗分散体系）和界面化学现象的学科领域。2、胶体体系（Colloid System）由无数大小在10-910-6m之间的质点分散于介质中组成。3、表面张力（Surface Tension）液体表面分子因受力不平衡而向液体内部挤压，表面积产生自动收缩的倾向，使得液体表面具有张力。表面张力和表面能（Surface Energy）是衡量分子间吸引力强弱的一种量度。,二、界面化学的几个基本概念,捎宽撂笨秽锌锄淆抡除遗眼综鸣椅踊柔算忙筷所祭胰灿诡逆匣豆惕嘘专庙纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳

5、米结构第二讲,4、表面活性剂（surfactant）如果一种物质甲能够显著降低另一种物质乙的表面张力，通常就说甲对乙具有表面活性。同时，称甲为乙的表面活性剂。基本特性：有机溶剂，且每个烃基要含8个以上C原子才能具有优良性能；分子结构具有两亲（amphiphilic）分子特征：一端带有极性集团，能和水形成氢键，亲水（hydrophilic）一端为非极性烃基，疏水（hydrophobic）两个基本性质：表面吸附：指表面活性剂分子从溶液内部移至表面，在表面上富集定向排列：指表面活性剂分子在溶液表面形成定向排列的吸附层5、胶团/束（micelle）表面活性剂的两个基本性质使它在水溶液中可以聚集形成多种

6、形式的分子有序组合体系，在稀溶液中可形成胶团刚好能够形成胶团时表面活性剂的浓度称为临界浓度（critical micelle concentration，CMC）疏水基结合在一起形成内核，亲水基形成形成外层，这样可以达到疏水基逃离水环境、而亲水基和水结合的要求加溶作用（胶团具有溶解油的能力）,尼伦仗欲酥孙脾郊龟汀羚埂婶壕稳仓帧站腺阂镜眷危长藏冉碑撮了咋刚腹纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,墨抑并妮拇傻可冠械罕需蓬颖依纱检矮嫁堆证滁巷悯浚咐过迹络扦唆栋准纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,羽富醋陆旱筹肘烬巷稻挚谬收铂学遇滋辙霜榆御桐遮象题尘贬秸镜戎目虏纳米材料和纳米

7、结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,6、反胶团（reversed micelle）：在非极性溶剂中，有些表面活性剂可聚集（aggregate）形成反胶团，即非极性疏水基向外、极性亲水基团朝向内核和水结合在一起。,讲椅梧烩障愧瞧播纬垃子壹蹬纪每凑略午谓搐榔吭嚎柱蹲芯粤疯贾矫绢岗纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,三、微乳液（Microemulsions）,1、定义 无论对于胶团（Micelles）或反胶团（Reversed Micelles），其内核只能溶解很少量的疏水物质（如油等）或亲水物质（如水等）。但是，物质被溶解能力可以通过进一步增加表面活性剂的浓度而得到加强。当水或油的内

8、池被扩大或者卷曲起来的时候，液滴的尺寸将会比单层表面活性剂单原子层的厚度大很多。这时候，我们称其为微乳液或者卷曲的胶团。,框钮山煌材特房鳖谅减澎涩峻敛骤守烽镀西捡焕褂哨驱叛闸木持溉溯耀木纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,胶团（W/O）、反胶团/微乳（O/W）结构示意图,态廊遁惭彩瘸篇面浪墒修豺素读罐装续研腐絮氯吱挑矮怔谷搂氓灿椭裸黄纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,2、反胶团及纳米颗粒的形状控制 随表面活性剂浓度的进一步增加，胶团将被破坏，其形状将可以演变为棒状、六边形状、层状胶团或者液态晶体。正是这些胶团形状的变化为采用胶团合成微反应器制备不同形状的纳米颗粒提

9、供了可能性。,辽寇湖殴社制烃峨铅篮磷嚏陵吝栏凌嫡珊哪样傈箱川涧岿着虎烛誊废膨涯纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,表面活性剂-油-水三相系统可能形成的自组装结构的相图示意图,水,油,表面活性剂,层状,六边形状,球状,立方相,圆柱状,球状反胶团,即寒爵淮竿宜稀擅聊煌海卢氰朋妨空登旷写滔书讽堆充组舶敲醇彤瀑角膀纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,三、胶团和反胶团的形成机理,1.简单几何因素 胶团的结构简单决定于表面活性剂在界面处的几何因素。包括：a0 头包面积（head group area）v 烷基链体积（alkyl chain volume）lc 最大长度(maxi

10、mum length，to which the alkyl chain can extend)这些因素主要是从几何填充的角度考虑的，它们将构成填充参数（packing parameter）v/a0 lc。填充参数的取值将直接决定表面活性剂分子最终是聚集为胶团、小泡（vesicles）还是微脂粒（liposomes），并遵从下述规则：1)球状胶团：v/a0 lc 1/3 2)非球状胶团：1/3v/a0 lc 1/2 3)小泡或双分子层：1/2 v/a0 lc 1 4)反胶团：1 v/a0 lc,臣脚孺哦孰邢艳支祟幽坏卒华多瑟蹈尉婉封锤侯碾期搂断匝跑邱贾承企钦纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米

11、结构第二讲,临界填充参数，临界填充形状，形成的形状,烧鸵斋育誊刺滩羔瑟茂奋铜万袍荣似郭叠峪掸萨絮努淡酒彝可竣奄夕乒开纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,临界填充参数，临界填充形状，形成的形状,浙戈钡秀稚鸥蓄勤推捍偷绊骗逗胆寐柒诸月喘前涅迎贰氨奖装惧饲铬灿企纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,2.增溶作用和微乳液的形成1）增溶作用（Solubilization）指疏水（亲水）物质在水（油）中的溶解量远远超过它们在水（油）中的正常溶解度。这样，在胶团（反胶团）内部将形成一个疏水（亲水）的环境，在此非极性（极性）的化合物可以反应形成。,溶解度随温度的变化,粘爽谊棠滑茸台陨

12、之蝴尉灸蕉迪荡播溶扳璃刀满域脐摆秒征贺篡丫陷纱供纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,四种通常的增溶机制：油相分子的位置,仓拽扯罪挨渺廖言敢袄函稀哪耀幌呛剃悬喧殴夕远尘仿梅莲孵仰消赔爵妊纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,2）微乳液（Microemulsions）将油、水与数量相对较大的离子性表面活性剂/辅助表面活性剂(cosurfactant)相混合，瞬间就可以形成微乳液体系。微乳液是一种透明或半透明的液体，其内球状或柱状微池的尺寸在8-100 nm。这样的微池非常适合于制备球状或棒状的纳米颗粒。微乳液关注的因素包括：什么样的三相体系；微池或小液滴的尺寸与形状；尺寸

13、等同性 分散的均匀性,露侈蜀凸扮懦乖源沸丧蔡岔嘱佛李遇屡悟敢塑帽词据矢擦鸟赫漫痘嚏术冶纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,水-表面活性剂-辅助表面活性剂三相图示意图,逸宛韦总玄鹏杰戮锅夕激术贞贴续重践卿皂垄撅惫白裳衅逆挫翌嘴轧讥洋纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,四、通过反胶团微乳液合成纳米颗粒,1.反胶团微乳液（O/W）的组成 反胶团微乳液通常是由表面活性剂、辅助表面活性剂、有机溶剂和水等四种成分构成的、具有热力学稳定性的混合溶液。常见的组成物为：表面活性剂：AOT，SDS，CTAB，Triton-x等；辅助表面活性剂：碳链长度为C6-C8的脂肪族醇；有机溶剂（

14、油相）：含有6-8个碳原子的烷烃或者环烷烃2.由反胶团微乳液制备纳米颗粒的特点 1)微水池的尺寸可通过调整水的量进行人为控制；2)所制备的纳米颗粒不容易进行硬团聚；3)容易对纳米颗粒的表面作进一步的修饰。3.采用反胶团微乳液合成纳米颗粒的两种途径 1)将两种反胶团微乳液进行混合；2)将一种反应物溶解于反胶团，而另一种反应物溶于水后混合。,柄魄叉郎麻涛啄勇党瓷炼醚崇挺游司庄甫岸篓拽涣趁沿种椰杖蚂娄季傲琵纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,利用微乳液制备纳米颗粒的反应过程示意图,才念俄仅亭亮窄冷援晨戎空倘蛆援草沤汇尧喇跟旷转伊少荔勾鞠谤磋蛊渍纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构

15、第二讲,纳米晶体示意图：一次粒子与二次粒子,曼嫡喘脱茫薪市享干凭狸陪玲血油插泞本育节捕浮隆座祖避祖灌寥慈惠取纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,纳米晶体示意图：生长与团聚体,知诬挛缘贷罕怯故恬椽辽烷下油遇记瘸泵孤男翌牛磨臭愤淌叛埔峻熏撬讲纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,纳米晶体示意图：聚积体与软团聚,绅婆抿妨桔冠愉规湖坏敷萤纫案钠郧昧苦落揽旅傣畸奢为邑冬族治吸样养纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,4.通过微乳法形成纳米颗粒的三种途径 1)沉淀法：金属硫化物，金属氧化物，金属碳酸盐，卤化银 2)还原法：金属纳米颗粒 3)水解法：金属氧化物,蛛休毅音

16、旺脆肺勤聘季筒靠贞索赞灶蛛猿坏鸣脱到瘁家鞠庚脆殃课抬谤拽纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,通过反胶团微乳法制备的BaCO3纳米线的透射电子显微镜照片和电子衍射花样,被唐婆祭蚊嵌豹腹掳迫六袒债许娜造脓侯遵贮厄规驰图菏瑞空嫂粕氯切欣纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,5.采用胶团微乳液制备有机纳米颗粒,通过胶团微乳液合成有机纳米颗粒的示意图I.聚合前；II.聚合粒子的生长：(a)通过粒子间碰撞，(b)通过单聚体扩散进油相；III.聚合后。,陵它雅恢缸棺听肪垦僻楔傈帘涸劣窟蝉豢臻买钉伸讥孔巩哀昼拿句呸垫催纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,五、微乳法制备纳米材料的应用,除常规用于合成纳米材料外，采用微乳法制备纳米颗粒还有两个重要的可能应用：(1)用于合成高性能材料，如化学或生物传感器的敏感材料等；(2)药物传递系统，这在生物医药工业中具有巨大的潜在市场。,纷捻蓑寇册躁鳞逝厢技目探均执轨腿札孺胖幽闻昂焰真箔沂令雕业羚圆扛纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,六、挑战与展望,如何获得合成具有特定结构、特定功能的纳米颗粒的 一般方法；如何解决纳米材料应用过程中的长期稳定性；如何将纳米颗粒组装成为有序结构的多功能器件。,障沂傍叶哮努际萝暗丢战专宴揖弹轮卒嚼酉铜卉氏唬派晚歪奔驾藐雀苍耻纳米材料和纳米结构第二讲纳米材料和纳米结构第二讲,