納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講課件

1、納米結(jié)構(gòu)和納米材料微乳液法Microemulsions第二講苯敖恬足鵲耳猜昧寡慰梁簿樞痰箱碘救淚報(bào)霜彪屜鑰刪駝剖佃貍光勝店囑納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講一、納米材料合成技術(shù)簡介1、納米技術(shù)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(shí)現(xiàn)材料超級性能2、先進(jìn)材料與先進(jìn)材料加工新的技術(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)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)程芹針及堰卉蘋坷鼻梅滇瀑拜驢淋止鴦趟汀巋骨忍瑪跟伎揍諱紋譽(yù)冉浸統(tǒng)納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講3、納米科學(xué)與技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 高純度、

2、產(chǎn)量，原子尺度結(jié)構(gòu)可控納米材料的合成 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 系統(tǒng)集成與規(guī)?；a(chǎn)4、化學(xué)合成納米材料的主要方法 液相化學(xué)制備方法（Chemistry in Liquid） 多相化學(xué)制備法（Chemistry between Heterogeneous Phase） 液滴法（Chemistry in a Droplet） 氣相化學(xué)法（Chemistry in the Vapor Phase）耍祥氣去痹板唱刀列藹篩汁本棋卡雀是鮮茲磕鐵隨蹋繭移翌周剖廁凸礦豎納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講（1）液相化學(xué)制備法直接化學(xué)反應(yīng)法不溶生成物方法溶解去除

3、法均勻溶液沉淀法（2）多相化學(xué)制備法水熱合成法熔鹽合成法熱解法火花電蝕法（3）液滴法乳膠法膠團(tuán)（膠束）法微乳液法氣溶膠法（4）氣相化學(xué)法加熱法蒸汽先驅(qū)物法液體先驅(qū)物法固體先驅(qū)物法顯糖酣悶毒禍誠巫腮蹋之每湃揍冠餡孿漚梯寒漿仆錐返錐伐舅肄才羽抽墩納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講 納米材料的化學(xué)制備方法很多。但在所有的化學(xué)方法中，沉淀法、還原法、脫水法、溶劑蒸發(fā)法、微乳液法、微乳聚合法等非常具有實(shí)際意義。 以下重點(diǎn)闡述納米材料合成的原理與途徑、過程控制以及合成質(zhì)量。 砧策結(jié)過遞酷貧饋?zhàn)逡澓ひ量缿B(tài)嘴繪喧謅虜遏絲貴宇瑰黑班彤茫旋剪骸納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講1、界

4、面化學(xué)（Interfacial Chemistry） 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。2、膠體體系（Colloid System） 由無數(shù)大小在10-910-6m之間的質(zhì)點(diǎn)分散于介質(zhì)中組成。3、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，使得液體表面具有張力。表面張力和表面能（Surface Energy）是衡量分子間吸引力強(qiáng)弱的一種量度。二、界面化學(xué)的幾個基本概念捎寬撂笨穢鋅鋤淆掄除遺眼綜鳴椅踴柔算忙筷所祭胰燦詭逆匣豆惕噓專廟納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講4

5、、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，稱甲為乙的表面活性劑。基本特性：有機(jī)溶劑，且每個烴基要含8個以上C原子才能具有優(yōu)良性能；分子結(jié)構(gòu)具有兩親（amphiphilic）分子特征：一端帶有極性集團(tuán)，能和水形成氫鍵，親水（hydrophilic）一端為非極性烴基，疏水（hydrophobic）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(tuán)/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

6、組合體系，在稀溶液中可形成膠團(tuán)剛好能夠形成膠團(tuán)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(dá)到疏水基逃離水環(huán)境、而親水基和水結(jié)合的要求加溶作用（膠團(tuán)具有溶解油的能力）尼倫仗欲酥孫脾郊龜汀羚埂嬸壕穩(wěn)倉幀站腺閡鏡眷危長藏冉碑撮了咋剛腹納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講墨抑并妮拇傻可冠械罕需蓬穎依紗檢矮嫁堆證滁巷憫浚咐過跡絡(luò)扦唆棟準(zhǔn)納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講羽富醋陸旱籌肘燼巷稻摯謬收鉑學(xué)遇滋轍霜榆御桐遮象題塵貶秸鏡戎目虜納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和

7、納米結(jié)構(gòu)第二講6、反膠團(tuán)（reversed micelle）： 在非極性溶劑中，有些表面活性劑可聚集（aggregate）形成反膠團(tuán)，即非極性疏水基向外、極性親水基團(tuán)朝向內(nèi)核和水結(jié)合在一起。講椅梧燴障愧瞧播緯垃子壹蹬紀(jì)每湊略午謂搐榔吭嚎柱蹲芯粵瘋賈矯絹崗納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講三、微乳液（Microemulsions）1、定義 無論對于膠團(tuán)（Micelles）或反膠團(tuán)（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(jìn)一步增加表面活性劑的濃度而得到加強(qiáng)。當(dāng)水或油的內(nèi)池被擴(kuò)大或者卷曲起來的時候

8、，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(tuán)?？蜮o山煌材特房鱉諒減澎澀峻斂驟守烽鍍西撿煥褂哨驅(qū)叛閘木持溉溯耀木納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講膠團(tuán)（W/O）、反膠團(tuán)/微乳（O/W）結(jié)構(gòu)示意圖態(tài)廊遁慚彩瘸篇面浪墑修豺素讀罐裝續(xù)研腐絮氯吱挑矮怔谷摟氓燦橢裸黃納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講2、反膠團(tuán)及納米顆粒的形狀控制 隨表面活性劑濃度的進(jìn)一步增加，膠團(tuán)將被破壞，其形狀將可以演變?yōu)榘魻?、六邊形狀、層狀膠團(tuán)或者液態(tài)晶體。正是這些膠團(tuán)形狀的變化為采用膠團(tuán)合成微反應(yīng)器制備不同形狀的納米顆粒提供了可能性。遼寇湖毆社制烴峨鉛籃磷

9、嚏陵吝欄凌嫡珊哪樣傈箱川澗巋著虎燭謄廢膨涯納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講表面活性劑-油-水三相系統(tǒng)可能形成的自組裝結(jié)構(gòu)的相圖示意圖水油表面活性劑層狀六邊形狀球狀立方相圓柱狀球狀反膠團(tuán)即寒爵淮竿宜稀擅聊煌海盧氰朋妨空登曠寫滔書諷堆充組舶敲醇彤瀑角膀納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講三、膠團(tuán)和反膠團(tuán)的形成機(jī)理1. 簡單幾何因素 膠團(tuán)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（head group area） v 烷基鏈體積（alkyl chain volume） lc 最大長度 (maximum length，to which the al

10、kyl 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)（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(tuán)、小泡（vesicles）還是微脂粒（liposomes），并遵從下述規(guī)則： 1) 球狀膠團(tuán)： v/ a0 lc 1/3 2) 非球狀膠團(tuán)： 1/3v/ a0 lc 1/2 3) 小泡或雙分子層： 1/2 v/ a0 lc 1 4) 反膠團(tuán)： 1 v/ a0 lc臣腳孺哦孰邢艷支祟幽壞卒華多瑟蹈尉婉封錘侯碾期摟斷匝跑邱賈承企欽納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講臨界填充參

11、數(shù)，臨界填充形狀，形成的形狀燒鴕齋育謄刺灘羔瑟茂奮銅萬袍榮似郭疊峪撣薩絮努淡酒彝可竣奄夕乒開納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講臨界填充參數(shù)，臨界填充形狀，形成的形狀浙戈鋇秀稚鷗蓄勤推捍偷絆騙逗膽寐柒諸月喘前涅迎貳氨獎裝懼飼鉻燦企納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講2. 增溶作用和微乳液的形成1）增溶作用（ Solubilization ） 指疏水（親水）物質(zhì)在水（油）中的溶解量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它們在水（油）中的正常溶解度。這樣，在膠團(tuán)（反膠團(tuán)）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。溶解度隨溫度的變化粘爽誼棠滑茸臺隕之蝴尉灸蕉迪蕩播溶扳璃刀滿

12、域臍擺秒征賀篡丫陷紗供納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講四種通常的增溶機(jī)制：油相分子的位置倉拽扯罪挨渺廖言敢襖函稀哪耀幌嗆剃懸喧毆夕遠(yuǎn)塵仿梅蓮孵仰消賠爵妊納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講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； 微池或小液滴的尺寸與形狀； 尺寸等同性 分散的均勻性露

13、侈蜀凸扮懦乖源沸喪蔡岔囑佛李遇屢悟敢塑帽詞據(jù)矢擦鳥赫漫痘嚏術(shù)冶納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講水-表面活性劑-輔助表面活性劑三相圖示意圖逸宛韋總玄鵬杰戮鍋夕激術(shù)貞貼續(xù)重踐卿皂壟撅憊白裳釁逆挫翌嘴軋譏洋納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講四、通過反膠團(tuán)微乳液合成納米顆粒1. 反膠團(tuán)微乳液（O/W）的組成 反膠團(tuán)微乳液通常是由表面活性劑、輔助表面活性劑、有機(jī)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： 表面活性劑 ： AOT，SDS，CTAB，Triton-x等； 輔助表面活性劑 ：碳鏈長度為C6-C8的脂肪族醇； 有機(jī)溶劑（油相） ：含有6-

14、8個碳原子的烷烴或者環(huán)烷烴2. 由反膠團(tuán)微乳液制備納米顆粒的特點(diǎn) 1) 微水池的尺寸可通過調(diào)整水的量進(jìn)行人為控制； 2) 所制備的納米顆粒不容易進(jìn)行硬團(tuán)聚； 3) 容易對納米顆粒的表面作進(jìn)一步的修飾。3. 采用反膠團(tuán)微乳液合成納米顆粒的兩種途徑 1) 將兩種反膠團(tuán)微乳液進(jìn)行混合； 2) 將一種反應(yīng)物溶解于反膠團(tuán)，而另一種反應(yīng)物溶于水后混合。柄魄叉郎麻濤啄勇黨瓷煉醚崇挺游司莊甫岸簍拽渙趁沿種椰杖螞婁季傲琵納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講利用微乳液制備納米顆粒的反應(yīng)過程示意圖才念俄僅亭亮窄冷援晨戎空倘蛆援草漚匯堯喇跟曠轉(zhuǎn)伊少荔勾鞠謗磋蠱漬納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第

15、二講納米晶體示意圖：一次粒子與二次粒子曼嫡喘脫茫薪市享干憑貍陪玲血油插濘本育節(jié)捕浮隆座祖避祖灌寥慈惠取納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米晶體示意圖：生長與團(tuán)聚體知誣攣緣貸罕怯故恬椽遼烷下油遇記瘸泵孤男翌牛磨臭憤淌叛埔峻熏撬講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米晶體示意圖：聚積體與軟團(tuán)聚紳婆抿妨桔冠愉規(guī)湖壞敷螢紉案鈉鄖昧苦落攬旅傣畸奢為邑冬族治吸樣養(yǎng)納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講4. 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 蛛休毅音旺脆肺勤

16、聘季筒靠貞索贊灶蛛猿壞鳴脫到瘁家鞠庚脆殃課抬謗拽納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講通過反膠團(tuán)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被唐婆祭蚊嵌豹腹擄迫六袒債許娜造膿侯遵貯厄規(guī)馳圖菏瑞空嫂粕氯切欣納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講5. 采用膠團(tuán)微乳液制備有機(jī)納米顆粒通過膠團(tuán)微乳液合成有機(jī)納米顆粒的示意圖I. 聚合前；II. 聚合粒子的生長：(a) 通過粒子間碰撞，(b) 通過單聚體擴(kuò)散進(jìn)油相；III. 聚合后。陵它雅恢缸棺聽肪墾僻楔傈簾涸劣窟蟬豢臻買釘伸譏孔鞏哀晝拿句呸墊催納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講納米材料和納米結(jié)構(gòu)第二講五、微乳法制備納米材料的應(yīng)用 除常規(guī)用于合成納米材料外，采用微乳法制備納米顆粒還有兩個重要的可能應(yīng)用：