纳米材料和纳米结构第二讲.ppt

纳米结构和纳米材料一、纳米材料合成技术简介3、纳米科学与技术面临的挑战
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（ChemistryinLiquid）
多相化学制备法（ChemistrybetweenHeterogeneousPhase）
液滴法（ChemistryinaDroplet）
气相化学法（ChemistryintheVaporPhase）（1）液相化学制备法
直接化学反应法
不溶生成物方法
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
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。1、界面化学（InterfacialChemistry）
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（ColloidSystem）
由无数大小在10-9~10-6m之间的质点分散于介质中组成。
3、表面张力（SurfaceTension）
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（SurfaceEnergy）是衡量分子间吸引力强弱的一种量度。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（criticalmicelleconcentration，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）6、反胶团（reversedmicelle）：
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。三、微乳液（Microemulsions）胶团（W/O）、反胶团/微乳（O/W）结构示意图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供了可能性。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三、胶团和反胶团的形成机理临界填充参数，临界填充形状，形成的形状临界填充参数，临界填充形状，形成的形状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。四种通常的增溶机制：油相分子的位置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8-100nm。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；
尺寸等同性
分散的均匀性水-表面活性剂-辅助表面活性剂三相图示意图四、通过反胶团微乳液合成纳米颗粒利用微乳液制备纳米颗粒的反应过程示意图纳米晶体示意图：一次粒子与二次粒子纳米晶体示意图：生长与团聚体纳米晶体示意图：聚积体与软团聚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5.采用胶团微乳液制备有机纳米颗粒五、微乳法制备纳米材料的应用六、挑战与展望