纳米材料的概述_制备及其结构表征.pdf

20卷6期结构化学（JIEGOUHUAXUE）Vol.20,No.6
2001.11ChineseJ.Struct.Chem.425~438

[综合评述]

纳米材料的概述、制备及其结构表征

①
蔡元霸梁玉仓
（结构化学国家重点实验室，中国科学院福建物质结构研究所,福州350002）

纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起
人们的高度重视。本文从以下3个方面加以论述。
一、纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、
分子操作与分子器件的构筑，并通过具体的例证加以阐述，包括在STM操作下单分子
反应；有机小分子在半导体表面的自指导生长；多肽-半导体表面特异性选择结合；生
物分子/无机纳米组装体；光驱动多组分三维结构组装体；DNA分子机器。
二、纳米材料的若干制备方法和结构表征方法：制备方法包括：物理的蒸发冷凝
法，分子束外延法（MBE），机械球磨法，扫描探针显微镜法（SPM）。化学的气相
沉淀法（VCD），液相沉淀法，溶胶-凝胶法（Sol-gel），L-B膜法，自组装单分子层
和表面图案化法，水热/溶剂热法，喷雾热解法，样板合成法或化学环境限制法及自组
装法。
三、若干结构表征方法包括：X-射线法（XRD），扩展X射线精细结构吸收谱
（EXAFS），X-射线光电子能谱（XPS），光谱法，扫描隧道显微镜/原子力显微镜
（STM/AFM）和有机质谱法（OMS）。

关键词：纳米制备，自组装，结构表征，纳米器件

1纳米材料概述:设计》和《超分子化学范围和展望——分子、
超分子和分子器件》为题，论述了他们在超分
子化学研究领域所取得成就和展望。1990年
所谓纳米材料，指的是具有纳米量级[5]
Lehn又发表了《超分子化学展望——从分
（1~100nm）的晶态或非晶态超微粒构成的子识别走向分子信息处理和自组织作用》。他
固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应们指出生物体内反应、输运和调节的第一步就
[1]
是德国科学家Gleiter等于1984年首用惰性是分子识别。它定义为底物被给定受体选择并
气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒，并以它结合而形成超分子结构的过程。这是主/客体
作为结构单元制成纳米块体材料。由于纳米材分子之间有选择、有目标的结合；是结构明确
料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性的分子间相互作用模式。这种结合还要求受体
能——表面效应、体积效应、量子尺寸效应和分子与所要键合的底物分子在立体空间结构和
宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶电荷特征上的互补性以及为了适合其功能上要
瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起求所必须遵循的刚性和柔性平衡原则。因为受
[2]
人们的高度重视。体结构稳定性需要刚性分子结构，但识别过程
[3]
1988年美国科学家Cram和法国科学中的变换、调控、协同及变构则需要一定的柔
[4]
家Lehn在诺贝尔领奖会上发表了演说，他性。这对生物体系尤为重要。从分子识别引导
们分别以《分子的主体·客体和它们复合物的

2001-03-14收到；2001-10-16接受
①通讯联系人

426结构化学（JIEGOUHUAXUE）ChineseJ.Struct.Chem.2001Vol.20

到分子自组装，对生物体系建立和生物特性产80~100PN.nm转动力矩。它相当于目前可生
生的过程起着非常重要作用。所谓分子自组产的纳米机结构。
装，是指在平衡条件下通过非共价相互作用自产生结构明确的组成细胞方法，对细胞聚
发缔合形成稳定的、结构完整的超分子的过集区有潜在应用。这包括把细胞作为传感器的
程。分子自组装普遍存在于生物体系之中，是分析系统；作为代谢、信号传输反射、毒理学
复杂的生物结构形成基础；是结构生物化学研等细胞-细胞相互作用的生物物理的基础研究
究中心课题。这种自组装的概念、原理和方法系统以及细胞间的吸着、生长、发育系统。
已成为纳米化学和分子器件的最活跃课题。Holmlin[9]等应用光驱动微制造技术，提
自从1981年Binnig和Rohrer发明了扫供含有细胞（包括红细胞和淋巴细胞）和修饰
描隧道显微镜(STM)并于1986年获得了诺贝/未修饰聚苯乙烯微球组成具有2维和3维结
尔奖以来，人们更把这一技术与分子识别、自构的细胞列阵。由于这些细胞表面含有多重的
组装技术、生物技术、光电技术和微制造技术低聚糖，其末端为N-乙酰基葡糖胺(GleNAc)
结合起来，为单分子科学、纳米电子学和纳米和N-乙酰基神经氨糖酸(NeuAc)，这些糖在需
生物学等新学科生长开辟了新的途径。要生物特异粘接时，可提供结构明确配体。修
STM的发明为人们直观地了解纳米范围饰聚苯乙烯微球是指把聚苯乙烯微球共价连接
0.1~100nm的原子分