第五章三維納米結(jié)構(gòu)

第五章三維納米結(jié)構(gòu)三維納米結(jié)構(gòu)（3Dnanostructure）是指由零維、一維、二維中的一種或多種基本結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合材料，其中包括：橫向結(jié)構(gòu)尺寸小于100nm的物體；納米微粒與常規(guī)材料的復(fù)合體；粗糙度小于100nm的表面；納米微粒與多孔介質(zhì)的組裝體系等。它包括：

(1)納米玻璃

(2)納米陶瓷

(3)納米介孔材料

(4)納米金屬

(5)納米高分子2023/2/325-1納米玻璃一.定義：

納米玻璃屬于無機(jī)非晶質(zhì)材料，它是指在透明玻璃連續(xù)相中周期排列著納米尺寸的第二相(微粒子、分相、結(jié)晶或氣孔)的玻璃材料。玻璃的特點(diǎn)是透明、熱或光化學(xué)穩(wěn)定性好，并具有無定形結(jié)構(gòu)能容納不同晶格常數(shù)的納米尺度量子點(diǎn)而產(chǎn)生較少界面缺陷，是比較理想的基體材料。納米功能顆粒與玻璃相之間通過相的復(fù)合，可以獲得具有一系列特殊性能的功能材料，根據(jù)玻璃中納米粒子的粒度大小，納米玻璃的研究內(nèi)容分為3個(gè)研究層次。2023/2/33

(1)

原子、分子級控制技術(shù)(1nm左右)：通過組成控制和引入結(jié)構(gòu)缺陷等，控制局部配位場，發(fā)現(xiàn)新的光、電功能。

(2)

超微粒子結(jié)構(gòu)控制技術(shù)(1～數(shù)10nm)：利用氣相法、溶液法等加工技術(shù)和超短脈沖激光、超高壓、附加高電壓等外來能源，對微粒子、分相和結(jié)晶、氣孔的周期排列進(jìn)行控制，創(chuàng)造超高亮度發(fā)光體、環(huán)境激素分離元件、光集成元件等基礎(chǔ)材料。

2023/2/34(3)高次結(jié)構(gòu)控制技術(shù)(數(shù)10nm以上)：利用無機(jī)-有機(jī)復(fù)合析出各向異性的晶體和控制其界面狀態(tài)等，進(jìn)行高次異型結(jié)構(gòu)、周期規(guī)則結(jié)構(gòu)形成技術(shù)的研究，進(jìn)一步研究可能用于太陽電池、運(yùn)輸機(jī)械、等的超輕質(zhì)、高強(qiáng)度玻璃基板材料。2023/2/35二.納米玻璃的制備方法1.熔融熱處理法熔融熱處理法，也稱共熔法，是將基礎(chǔ)玻璃料與摻雜物混合（一般同時(shí)）引入還原劑，如Sb2O3、SnO2等，干燥后高溫熔融，再冷卻成型。利用熔融熱處理工藝可制備在硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃系統(tǒng)中摻雜納米金屬Au、Ag、Cu或部分半導(dǎo)體材料的復(fù)合玻璃。此法工藝簡單，成本低廉，可制備大尺寸和各種形狀的玻璃材料，但需要高溫熔制，一般為1200-1500℃。熔融法制備時(shí)還必須注意熱處理氣氛。摻雜物的低溶解度和易揮發(fā)或氧化使得摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10-1％~10-4％）少，且不易控制，易出現(xiàn)雜相。2023/2/362.溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法（sol-gel）通常將半導(dǎo)體顆粒原料或金屬鹽直接引入溶膠制成干膠后進(jìn)行熱處理析出納米顆粒。該工藝合成溫度低，并能用氣氛保護(hù)，能制備具有特殊組成的玻璃，適用于制備薄膜材料的樣品。樣品成分完全可以按照其原始配方和化學(xué)計(jì)量比較準(zhǔn)確獲得，并且具有高的純度和良好的均勻型。優(yōu)點(diǎn)：具有摻雜濃度高、粒徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn):不易形成多組分玻璃，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生其他產(chǎn)物。2023/2/373.離子注入法離子注入法是在玻璃表面進(jìn)行離子注入，通過選擇注入離子種類、劑量、能量、基質(zhì)溫度和后續(xù)熱處理溫度等參數(shù)來控制納米顆粒在玻璃表面和近表面層析出。離子注入法多用于金屬離子注入，還可進(jìn)行多種粒子連續(xù)注入或混合離子束注入，形成金屬合金或核-殼體系混合團(tuán)簇。離子注入是一個(gè)非熱平衡過程，可以將任何一種元素在各種溫度下注入不同基礎(chǔ)成分的玻璃中，能克服平衡態(tài)溶解2023/2/38度的限制，從而獲得高的摻雜濃度，但離子注入易引起玻璃分相、新相生成等物理化學(xué)過程從而產(chǎn)生雜相。離子注入法受溫度影響較大，且額外的高輻射損傷會(huì)引起玻璃折射率的改變。此外，由于加速離子到基質(zhì)的滲透不一致，會(huì)使玻璃表面或近表層析出的納米金屬顆粒有較寬的尺寸分布。2023/2/394.離子交換法離子交換法（IonExchangeLaw）主要是通過低共熔鹽的不同離子如Ag+Cu+等替換玻璃基質(zhì)表面層的一價(jià)堿金屬離子（Li+K+Cs+Na+等），再在還原氣氛下退火使金屬離子還原，通過熱處理使金屬原子聚集長大，納米金屬顆粒在玻璃與低共熔鹽的界面及近表面層析出。此法成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)，能使顆粒分布均勻，并可提高摻入量，達(dá)幾個(gè)百分比，被廣泛用于硅酸鹽玻璃摻雜Ag和Cu。2023/2/3105.氣相沉積法氣相沉積法（VaporDeposition）是通過熱、激光、電子束照射含金屬或半導(dǎo)體摻雜物的玻璃原料做成的靶材，是之在基板上沉積成摻雜金屬或半導(dǎo)體納米顆粒的玻璃薄膜。6.輔助電場法傳統(tǒng)的熱處理法可以制備各種形狀、尺寸的微晶玻璃材料，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但在含納米晶玻璃制備過程中，由于熱處理過程中的溫度場波動(dòng)，升降溫過程中的熱慣性等因素?zé)o法精確控制玻璃中納米晶體的生長，使得含納米晶玻璃材料的制備較為困難。2023/2/311靜電場對玻璃的核化、相變同樣具有相當(dāng)?shù)挠绊懀瑫r(shí)由于對靜電場強(qiáng)度，加載時(shí)間和加載范圍的控制比對溫度場的控制更為容易而精確，因而利用溫度場和輔助電場相結(jié)合的手段，控制玻璃體中的成核，生長及相變，從而有效控制析出晶粒的尺寸。7.光誘導(dǎo)熱處理晶化法該方法是先熔制出摻雜了功能金屬離子的玻璃，通過光的作用（紫外光照射，X射線或超短脈沖激光輻射）使金屬粒子還原，提供電子的源可為共摻的離子（Ce3+）或玻璃基體中活性側(cè)位，然后再一定的溫度下進(jìn)行熱處理，金屬原子遷移聚集成納米金屬顆粒，并在激光聚焦照射的位置析出。2023/2/312三.納米玻璃的應(yīng)用納米微粒具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等,使納米玻璃具有獨(dú)特的性能，從而為其帶來廣泛的應(yīng)用。1.光學(xué)功能材料

近年來理論和實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，納米功能顆粒(金屬和半導(dǎo)體)摻雜玻璃在吸收限附近的強(qiáng)光作用下有很大的光學(xué)非線性，且具有快的光響應(yīng)速度等特性，在光計(jì)算、光通訊、光信息處理和電光效應(yīng)的器件方面具有很重要的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國際光學(xué)功能材料研究的熱點(diǎn)之一。2023/2/3132.不受溫度影響的玻璃

通過調(diào)整玻璃組成并利用激光照射、附加超高壓等技術(shù)，使玻璃中析出一種不破壞透明性的納迷微晶體，從而獲得一種性能與溫度無關(guān)的原材料(即使當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),其尺寸和折射率也完全不發(fā)生變化的玻璃)。3.超高亮度發(fā)光玻璃

把發(fā)光超微粒子發(fā)光超微粒子以高濃度穩(wěn)定地保持在玻璃中，就能得到用于顯示裝置和夜間照明的發(fā)光玻璃。如用反微膠囊法制備的直徑為幾十納米的玻璃微粒中平均添加1個(gè)半導(dǎo)體超微粒子，然后使該微微粒(微膠囊)均勻地分散在玻璃連續(xù)相中并規(guī)則排列，可大幅度提高其發(fā)光效率。2023/2/3144.高性能過濾器用玻璃

在通過激發(fā)而分相、晶化的玻璃中，如能形成周期性的、控制在幾納米以下的氣孔，就能高效地除去環(huán)境激素等有害物質(zhì)，制成納米過濾器元件。5.光開關(guān)用非線性玻璃

含有超微粒子的材料有顯著的量子效應(yīng)。例如，粒子在微米尺寸時(shí)幾乎不表現(xiàn)的量子閉合效應(yīng)，當(dāng)進(jìn)入納米尺度時(shí)，即發(fā)生以紅色著色的表面等離子體激元效應(yīng)和在鄰近場發(fā)生相互作用的界面效應(yīng)。如果從周圍附加光電場，其吸光度將變大，從而具有了光學(xué)非線性特性，可能作為超高速開關(guān)應(yīng)用。2023/2/3156.光波控制用玻璃

用超短脈沖激光聚光照射玻璃內(nèi)部或表面，使玻璃的被照射區(qū)域在激光的誘導(dǎo)下發(fā)生折射率提高、結(jié)晶或分相。在玻璃表面或內(nèi)部，形成大小為光波長的1/2至1/4左右、折射率與基質(zhì)玻璃不同的周期結(jié)構(gòu)，可制造能將光信號進(jìn)行導(dǎo)波、分波的微小設(shè)備。7.超高強(qiáng)度玻璃

玻璃的強(qiáng)度由其表面的裂紋數(shù)量及其大小等決定，因此，如果研究一種使裂紋難以生成的表面處理技術(shù)，玻璃的強(qiáng)度和可靠性會(huì)大幅度提高。2023/2/316通過改變組成提高玻璃整體的強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上再加上在玻璃表面附近透明的分相與結(jié)晶化，以及在表面利用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合的表面涂層技術(shù)，防止裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，可能開發(fā)出更薄、更高強(qiáng)度的玻璃材料。若通過在玻璃基板的表層形成納米尺度的異質(zhì)層，可實(shí)現(xiàn)基板的高強(qiáng)度化和超平坦化的話，就可能獲得高速運(yùn)轉(zhuǎn)、高速讀取的大容量光盤。2023/2/317此外，納米玻璃已廣泛應(yīng)用于MP3作鏡面、高樓大廈的裝飾玻璃、汽車的擋風(fēng)鏡等等。利用納米玻璃的自潔和殺菌作用，還可開辟玻璃在醫(yī)療衛(wèi)生、餐飲等領(lǐng)域的新用途。由于納米玻璃具有高的非線性系數(shù)和超快非線性響應(yīng)等特點(diǎn)，在全光調(diào)制的光波導(dǎo)、光開關(guān)、光存儲(chǔ)、光雙穩(wěn)、平面微透鏡、光限幅器和激光微腔等許多新型器件方面也將具有誘人的應(yīng)用前景。2023/2/3185-2納米陶瓷定義：指陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處于納米量級水平，包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與缺陷尺寸等都是納米級。一.納米陶瓷的制備納米陶瓷的制備過程與傳統(tǒng)陶瓷基本相同，主要包括：納米粉體制備、素坯的成型和納米陶瓷燒結(jié)三個(gè)階段。2023/2/319隨著陶瓷粉體的超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了微米級以上尺度材料所不具有的重要作用：（1）納米粉體具有極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)活性，可以降低材料的燒結(jié)致密化程度，節(jié)約能源（2）使材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性（3）可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次（1-100nm）上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能，而使定向設(shè)計(jì)納米材料的組織結(jié)構(gòu)和性能成為可能。2023/2/3201.粉體制備納米陶瓷粉體是指介于固體與分子之間的具有納米尺寸（1-100nm）的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。納米陶瓷粉體難以用傳統(tǒng)的機(jī)械方法制得，其制備方法主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、高能球磨法、微波、等離子體法等。2.素坯成型是將粉末轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、體積和強(qiáng)度的坯體的過程,素坯的相對密度和顯微結(jié)構(gòu)的均勻性對陶瓷在燒結(jié)過程中的致密化有極大的影響。2023/2/3213.燒結(jié)是指素坯在高溫下的致密化過程。隨著溫度的上升和時(shí)間的延長，固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶體長大，孔隙和晶界減趨減小，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為堅(jiān)硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體。2023/2/322二.納米陶瓷的性能1、高強(qiáng)度陶瓷的性能取決于其微觀組織結(jié)構(gòu)，其中晶粒尺寸和氣孔率是兩個(gè)主要的因素，陶瓷強(qiáng)度隨氣孔率的增加成指數(shù)級下降，同時(shí)，強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，納米陶瓷中晶粒尺寸與氣孔尺寸都是納米級，因而具有較高的強(qiáng)度和韌性，一般比普通陶瓷搞出3-5倍。如在100度下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于2000KN/mm2。2023/2/3232.增韌性傳統(tǒng)的陶瓷通常表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性，納米陶瓷由于其晶粒尺寸小、晶面大，晶面原子排列混亂，納米晶粒易在其它晶粒上運(yùn)動(dòng)，使納米陶瓷在受力時(shí)易于變形而表現(xiàn)出一定的韌性。如室溫下的納米TiO2陶瓷表現(xiàn)出很高的韌性，壓縮至原長度的1/4仍不破碎。2023/2/3243、超塑性超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。陶瓷的超塑性是由擴(kuò)散蠕變引起的晶格滑移所致，普通陶瓷只有在很高的溫度下才表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)散蠕變，而納米陶瓷的擴(kuò)散系數(shù)提高了3個(gè)數(shù)量級，晶粒尺寸下降了3個(gè)數(shù)量級，因而其擴(kuò)散蠕變速率較高。2023/2/3254.燒結(jié)特性納米材料具有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑及較高的擴(kuò)散速率，并使得材料的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力也隨之劇增，這大大加速了整個(gè)燒結(jié)過程，使得燒結(jié)溫度大幅度降低，燒結(jié)速率大幅度提高。納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)陶瓷材料約低600℃，燒結(jié)過程也大大縮短。12nm的TiO2粉體，不加任何燒結(jié)助劑，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400-600℃下進(jìn)行燒結(jié)，同時(shí)陶瓷的致密化速率也迅速提高。2023/2/326三.納米陶瓷的應(yīng)用納米陶瓷在建筑行業(yè)、電子陶瓷領(lǐng)域、抗菌（殺菌）方面、生物領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、精密設(shè)備領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

納米陶瓷可作為電子陶瓷應(yīng)用于基板、感測器、電容器和熱敏電阻等。如納米Y2O3和ZrO2在較低溫度燒結(jié)的陶瓷具有很高的韌性和強(qiáng)度，可用于軸承和刀具等耐磨器件；用納米Nd2O3

和Sm2O3等制作的多層電容和微波器件，性能都得到了很大提高。2023/2/327由于具有超高純度、好的熱導(dǎo)性和長久的耐干擾性能，納米陶瓷可使微處理器集成文化程度更高、運(yùn)行速度更快，可作為下一代電腦芯片。

生物功能陶瓷是具有某些特殊生理行為的陶瓷，具有生物降解性和生物相容型，如人造牙齒、人造骨等。納米陶瓷材料硅酸鋁釔（YAS）就可以用于癌癥治療，初步臨床表面，這種材料治療可以大大延長病人壽命。采用納米顆粒進(jìn)行復(fù)合制備的磷酸鈣骨水泥，與機(jī)體親和性好，無異物反應(yīng)，并且材料具有可降解性，能被新生骨逐步吸收。2023/2/328

納米功能防彈陶瓷以其優(yōu)異的防彈性能、較輕的質(zhì)量及相對便宜的價(jià)格已成為使用最為廣泛的防彈材料。納米陶瓷的紅外發(fā)射率可達(dá)0.3-0.95范圍，根據(jù)需要可廣范圍調(diào)節(jié)，且對高頻電磁波的吸波率和透波特性也可廣范圍調(diào)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于軍工攻防武器裝置和重要軍事設(shè)施2023/2/329納米復(fù)合功能建筑衛(wèi)生陶瓷的開發(fā)，將使功能性建筑衛(wèi)生陶瓷得到發(fā)展，例如熒光墻地磚、氧敏變色和具有保潔、抗菌功能特性的墻地磚。研究表明：納米抗菌粉體的抗菌效果更強(qiáng)，抗菌率可達(dá)99.9％因此它在保持陶瓷制品原有使用功能和裝飾效果的同時(shí)能增加消毒殺菌及化學(xué)降解的功能。2023/2/3305-3納米介孔材料

1992年美國Mobile公司的科學(xué)家們首次運(yùn)用表面活性劑作為模板合成出介孔二氧化硅，命名為MCM—41。這是繼微孔沸石分子篩之后的又一類分子篩材料。2023/2/331一.分類及結(jié)構(gòu)特征1.分類

介孔材料按照化學(xué)組成分類，可分為硅基和非硅基組成介孔材料兩大類，后者主要包括過渡金屬氧化物、磷酸鹽和硫化物等，由于它們一般存在可變價(jià)態(tài)，有可能為介孔材料開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，展示出硅基介孔材料所不能及的應(yīng)用前景。但非硅組成的介孔材料熱穩(wěn)定性較差，經(jīng)過煅燒，孔結(jié)構(gòu)容易坍塌，且比表面積、孔容均較小，合成機(jī)制還欠完善，不及硅基介孔材料研究活躍。2023/2/332

介孔材料按照介孔是否有序分類，可分為無序介孔材料和有序介孔材料。其中有序介孔材料是20世紀(jì)90年代初迅速興起的一類新型納米結(jié)構(gòu)材料，它利用有機(jī)分子——表面活性劑作為模板劑，與無機(jī)源進(jìn)行界面反應(yīng)，以某種協(xié)同或自組裝方式形成由無機(jī)離子聚集體包裹的規(guī)則有序的膠束組裝體，通過煅燒或萃取方式去除有機(jī)物質(zhì)后，保留無機(jī)骨架，從而形成多孔的納米結(jié)構(gòu)材料。2023/2/3332.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）的定義，孔徑大于50nm的孔稱為大孔，小于2nm的孔稱為微孔，孔徑為2—50nm的多孔材料稱為介孔（中孔）材料。介孔材料具有以下特點(diǎn)：(1)長程結(jié)構(gòu)有序(2)孔徑分布窄并可在1.5~10nm之間系統(tǒng)調(diào)變(3)比表面積大，可高達(dá)1000m2/g(4)孔隙率高(5)表面富含不飽和基團(tuán)2023/2/334介孔材料具有蜂窩狀的孔道，其孔道是有序排列的，包括層狀、六方對稱排列和立方對稱排列等，可以讓一些有機(jī)大分子、生物高分子通過，可以“篩選”沸石分子篩不能篩的大分子。二.介孔材料的合成1.軟模板法軟模板法主要是指以表面活性劑或兩親高分子為模板劑，在溶液中利用有機(jī)相和無機(jī)物種之間的界面組裝作用力，通過納米自組裝技術(shù)來合成有序的介孔材料。其合成機(jī)理主要是液晶模板機(jī)理和協(xié)同機(jī)理，適用于硅基和非硅基介孔材料。2023/2/335液晶模板機(jī)理模型示意圖在此模型中,具有雙親水基團(tuán)的表面活性劑,在水中達(dá)到一定濃度時(shí)形成棒狀膠束并規(guī)則排列成所謂“液晶”結(jié)構(gòu),其憎水基向里,帶電的親水基頭部伸向水中。當(dāng)硅源物質(zhì)加入時(shí),通過靜電作用,硅酸根離子可以和表面活性劑離子結(jié)合,并附著在有機(jī)表面活性劑膠束的表面,在有機(jī)圓柱體的表面形成無機(jī)墻,兩者在溶液中同時(shí)沉淀下來,產(chǎn)物經(jīng)水洗、干燥、煅燒,除去有機(jī)物質(zhì),只留下骨架狀規(guī)則排列的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò),從而形成MCM-41(六方晶相)介孔材料。2023/2/336軟模板合成路線的核心過程是溶膠-凝膠，根據(jù)合成條件的不同，軟模板合成路線又分為水熱合成、室溫合成和微波合成。

微波輻射加熱不同于傳統(tǒng)的加熱方式，它是在電磁場作用下，通過偶極子極化使體系中的極性分子急劇扭轉(zhuǎn)、摩擦產(chǎn)生熱量來實(shí)現(xiàn)，具有內(nèi)外加熱、升溫速度快、高效節(jié)能、環(huán)保衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。利用全微波輻射法合成MCM-41介孔分子篩，整個(gè)過程用時(shí)不到5h。和水熱法相比，合成時(shí)間大大縮短，同時(shí)利用微波技術(shù)，高效節(jié)能，操作便利，環(huán)境污染少。2023/2/3372.納米晶粒組裝法納米晶粒組裝法其合成機(jī)理同經(jīng)典的軟模板法合成介孔材料非常類似，不同之處在于軟模板法一般是由無機(jī)前驅(qū)體離子在模板劑上的自組裝，而納米晶粒組裝法是由經(jīng)表面修飾后的成型納米晶粒在模板劑上的自組裝。這種方法適用于介孔金屬、金屬氧化物和金屬硫化物的合成。首先合成金屬氧化物的納米晶粒，再用修飾劑對其表面進(jìn)行修飾，然后在表面活性劑的協(xié)同作用下組裝成具有介孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，最后通過煅燒除去模板劑，得到介孔材料或介孔復(fù)合體系。2023/2/3383.硬模板法軟模板法對非硅基體系的合成存在一定的局限性，特別是對過渡金屬氧化物，由于其水解速率難以達(dá)到控制以及變價(jià)離子的存在，使得用軟模板合成有序介孔金屬氧化物及其復(fù)合物有很大難度。針對上述情況，出現(xiàn)了另一種合成介孔材料的可取方法，就是利用有序的介孔材料作為硬模板，通過納米復(fù)制技術(shù)得到其反介孔結(jié)構(gòu)。硬模板法的主要過程是利用預(yù)成型的有序介孔固體的空穴，內(nèi)浸漬所要求的無機(jī)鹽前驅(qū)物，隨即在一定的溫度下礦化前驅(qū)物使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)成分，最后除去原固體模板得到了所要求組分的反介孔結(jié)構(gòu)材料。2023/2/339三.介孔材料的應(yīng)用1.在化工領(lǐng)域的應(yīng)用催化劑。有序介孔材料具有較大的比表面積,相對大的孔徑以及規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)以處理較大的分子或基團(tuán),是很好的擇形催化劑。特別是在催化有大體積分子參加的反應(yīng)中,有序介孔材料顯示優(yōu)于沸石分子篩的催化活性。(2)良好的載體。過渡金屬的配合物對一些特定的有機(jī)反應(yīng)具有很好的催化氧化的作用,為了將其固載化,人們曾試圖將其負(fù)載于沸石分子篩上,然而受后者孔道直徑的限制,這些固載化的配合物并沒有很好的發(fā)揮其應(yīng)有的催化活性。但是，有序介孔材料的出現(xiàn)為人們尋求更加適宜的載體帶來了希望。2023/2/340(3)化學(xué)分離介孔材料MCM-41被應(yīng)用于毛細(xì)管氣相色譜柱,可以很好的分離碳?xì)浠衔锉?、甲苯、乙苯、正丙?而所用的柱長(1m)比常規(guī)的柱子(25-30m)短的多。(4)良好的基質(zhì)。有序介孔材料由于孔徑尺寸大，還可應(yīng)用于高分子合成領(lǐng)域，特別是聚合反應(yīng)的納米反應(yīng)器。2023/2/3412在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用(1)酶、蛋白質(zhì)等的固定和分離生物醫(yī)藥領(lǐng)域一般生物大分子如蛋白質(zhì)、酶、核酸等,當(dāng)它的分子量在1～100萬之間時(shí)尺寸小于10nm,而相對分子質(zhì)量在1000萬左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔徑可在2～50nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)和無生理毒性的特點(diǎn)使其非常適用于酶、蛋白質(zhì)等的固定和分離2023/2/342(2)細(xì)胞/DNA的分離。(3)緩釋藥物3在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用(1)氣體吸附劑(2)水質(zhì)凈化目前生活用水廣泛應(yīng)用的氯消毒工藝,雖然殺死了各種病菌,但又產(chǎn)生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有機(jī)物,其嚴(yán)重的“三致”效應(yīng)(致癌、致畸形、致突變)已引起了國際科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的普遍關(guān)注。通過在有序介孔材料的孔道內(nèi)壁上接枝氯丙基三乙氧硅烷,得到功能化的介孔材料CPS-HMS,該功能性介孔分子篩去除水中微量的三氯甲烷等效果顯著,去除率高達(dá)97%。2023/2/3435-4納米金屬納米金屬是利用納米技術(shù)制造的金屬材料，具有納米級尺寸的組織結(jié)構(gòu)，在其組織中也包含著納米顆粒雜質(zhì)。在金屬材料生產(chǎn)中利用納米技術(shù)，有可能將材料成分和組織控制得極其精密和細(xì)小，從而使金屬的力學(xué)性能和功能特性得到飛躍的提高。一.納米晶化技術(shù)1.GP和團(tuán)簇化這是利用過飽和固溶體（SolidSolution）析出現(xiàn)象的一種控制納米組織的方法，對于沒有晶格形態(tài)變化的鐵一類金屬，人們很早就用這種方法提高材料的強(qiáng)度，還利用2023/2/344這種方法制造飛機(jī)用的鋁合金材料——硬鋁。2.晶粒微細(xì)化在組織結(jié)構(gòu)中，晶粒的大小對強(qiáng)度影響最大，利用相變使晶粒微細(xì)化的現(xiàn)象，可以把晶粒大小控制到微米量級。通過晶粒微細(xì)化，不僅能夠提高材料的強(qiáng)度，而且還能夠增加材料的延展性。例如，500MPa號得鋼材，當(dāng)晶粒被微細(xì)化到1μm左右時(shí)，其0.2%屈服強(qiáng)度即提高到700MPa，而且有延展性變?yōu)榇嘈缘霓D(zhuǎn)變溫度也下降至液氮溫度以下。2023/2/3453.冷加工技術(shù)使晶粒微細(xì)化的一種最簡便的方法，就是進(jìn)行冷加工。4.吸氫技術(shù)利用吸收氫的技術(shù)是把材料置放在氫氣氣氛中于高溫下保持一段時(shí)間，然后再經(jīng)熱處理出去材料中所含的氫，由于化合物在與氫發(fā)生反應(yīng)的過程中，其內(nèi)部組織得到微細(xì)化，最后制成的就是性能非常好的粘結(jié)在一起的磁粉。5.利用非晶相的技術(shù)2023/2/346二.納米金屬材料的應(yīng)用1.非晶態(tài)輕合金1990年，人們成功制成一種高強(qiáng)度的鋁合金，其屈服強(qiáng)度達(dá)到1600MPa.該合金的非晶相中均勻分布著10-20％直徑為5-10nm的Al微粒，正是這些納米粒子使合金具有非常高的強(qiáng)度。2.納米結(jié)晶軟磁合金非晶軟磁合金的主要成分是Fe-Si-B合金，其中添加少量的Nb和Cu。把原材料加熱，使之產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)果便得到由無數(shù)納米大小的Fe微粒結(jié)合在一起的凝聚組織，其飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到1.2-1.4T，而磁導(dǎo)率達(dá)到數(shù)十萬。這樣，由納米結(jié)晶化而產(chǎn)生軟磁性。2023/2/3473.超塑性加工材料納米金屬材料與微晶金屬材料相比，其形變速度提高了2-3個(gè)數(shù)量級，因而有望實(shí)現(xiàn)高速塑性加工。5-5納米高分子納米高分子（Nano-polymer），全稱納米結(jié)構(gòu)的自組裝高分子，包括小分子間通過非共價(jià)鍵形成的高分子以及高分子間通過非共價(jià)鍵形成的高分子聚集體。納米高分子不僅有鏈狀聚合物，還有梳狀聚合物，星狀聚合物，樹枝狀聚合物。2023/2/3481.螺旋結(jié)構(gòu)高分子在主鏈沒有不對稱碳的聚合物中引入有光學(xué)活性側(cè)鏈的聚異氰酸鹽或者聚異氰化物等手征型高分子，它們雖然沒有氫鍵那樣的支持鍵，卻能夠在溶液中保持穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)。不僅如此，還可以把這種螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步凝聚，構(gòu)建出超螺旋的或者棒狀的納米結(jié)構(gòu)。2.嵌段共聚物在嵌段共聚物中，大部分自組裝利用的是不同嵌段的親疏水效應(yīng)，將兩條不相容的分子鏈通過共價(jià)鍵連接起來，這樣既阻止了鏈段完全分離，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了相分離，可以獲得分子鏈段周期性有序的片狀、圓柱狀和球狀等相。2023/2/3493.樹枝狀高分子樹枝狀高分子是單分散性的大分子，這種分子有規(guī)則地