SiO2奈米陶瓷微粒自组装之研究

合集下载

纳米材料的超分子自组装及其应用

纳米材料的超分子自组装及其应用纳米技术是当今世界科技领域中备受瞩目的研究领域之一，其多种应用已经涉及到了众多领域，如材料科学、生物学、医学等等。

在纳米技术的相关研究中，纳米材料的自组装技术一直是备受关注的热点科技之一。

本文主要介绍了纳米材料的超分子自组装的基本原理、方法以及其具有的应用前景。

一、基本原理超分子自组装是建立在化学反应的基础上，在一定条件下，引导分子间的自组装作用，而形成的具有稳定性、可控性的超分子结构，来实现一系列的功能。

纳米材料的自组装是利用纳米材料的分子间作用力，通过组装单元之间的相互吸引和排斥作用，形成具有结构、性质和功能的有序结构，常用的自组装材料主要有无机化合物（如SiO2、ZnO等）和有机化合物（如聚合物、脂肪酸、胆酸盐等）。

超分子自组装的原理是通过分子间的非共价作用力，例如氢键、范德华力、电荷相互作用和亲疏水性等作用力，促使有机分子之间产生复杂的配位作用，从而使其自组装成为分子超结构。

这种超结构具有多种形态，例如纳米片、管、球以及空心球等。

二、方法超分子自组装技术的实验步骤主要包括两个过程：前处理（分散和修饰）和自组装。

前处理的目的是为了构建具有特定化学性质和结构的原料，以及使其成为可以进行自组装的溶液。

自组装过程则包括以下步骤：先将原料溶解在溶剂中，然后通过控制溶剂和沉淀的混合方式，使原料分子在溶液中形成一个稳定的自组装结构。

其中，溶剂的选择十分重要。

有机溶剂和水，常用的是氯仿、甲醇、乙醇、二氯甲烷等，同时也可以根据不同情况及目的选择不同的溶剂。

另外，为了使组装的结构更加稳定和可控，需要在溶液中添加适当的表面活性剂，以防止组装过程中出现过度聚集的情况。

三、应用前景超分子自组装技术在纳米材料制备和应用等领域中具有广泛应用前景。

（1）生物医学领域：超分子自组装技术可以制备出具有多种形态的纳米颗粒，具有良好的生物相容性和生物可降解性能。

这种纳米颗粒具有较大的表面积和活性基团，可以作为药物载体用于癌症治疗和药物控制释放等方面。

二氧化硅纳米颗粒的制备及其应用研究

二氧化硅纳米颗粒的制备及其应用研究随着科学技术的不断发展，纳米科技越来越受到人们的关注。

纳米颗粒是一种基础性的纳米材料，其尺寸通常在1-100纳米之间。

二氧化硅（SiO2）是一种广泛使用的材料之一，它在医药、电子、纳米材料等领域都有广泛的应用。

在本文中，我们将探讨二氧化硅纳米颗粒的制备及其应用研究。

一、二氧化硅纳米颗粒的制备方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备二氧化硅纳米颗粒的一种常见方法。

它涉及将硅酸醇溶液放置在高温高压条件下进行反应，反应产物是一种凝胶物质。

这种方法可以制备出高纯度、相对稳定的SiO2纳米颗粒，这是由于过程中无需引入外部气体或官能团，因此可以减少杂质的产生。

2. 水热法水热法是一种基于高温高压水或水-有机混合物反应的方法。

二氧化硅纳米颗粒的制备通常涉及硅源的预处理，并将其与其他试剂一起溶解。

在溶液中进行恒定的加热和搅拌，最终以水热形式结晶。

这种方法可以优化纳米颗粒的粒径和形状，并能够选择特定的硅源和其他试剂以获得所需的纳米颗粒。

3. 微乳液法微乳液法是一种分散功率环创利用垂直旋向顺序的动力学因素，来控制单氯化硅（SiCl4）的水解和聚合过程。

在这个过程中，SiCl4毒性很大，使用醇和表面活性剂可以改善它的稳定性。

然后，聚合反应在表面活性剂分子内部进行，反应产物直径约为15-100纳米。

二、二氧化硅纳米颗粒的应用研究1. 医疗用途在医学领域，二氧化硅纳米颗粒在癌症治疗和疫苗开发中具有潜在用途。

这是因为SiO2具有良好的生物相容性和低毒性，可以作为药物载体，靶向输送药物到肿瘤组织或免疫系统。

此外，在慢性肺疾病等治疗中，SiO2也用于改善药物的吸附、分布和释放特性。

2. 环保用途二氧化硅纳米颗粒在环境污染治理方面具有潜在的应用价值：其中，纳米颗粒可以利用其高比表面积和表面反应性来改进催化反应、分离和吸附，从而提高其处理吸附物的效率和选择性。

此外，通过表面修饰和功能化，可以引入目标物的特异性，以增强环境污染处理的选择性。

纳米颗粒的自组装和结构控制

纳米颗粒的自组装和结构控制纳米颗粒是一种尺寸在纳米级别的微小物质，具有独特的物理和化学性质。

在纳米科技领域，纳米颗粒的自组装和结构控制是一个重要的研究方向。

通过自组装和结构控制，可以精确地调控纳米颗粒的形貌、大小、组合方式等特征，进而实现对其性能的调控和优化。

一、纳米颗粒的自组装纳米颗粒的自组装是指在一定条件下，纳米颗粒之间通过相互作用力的作用，自发地组装成特定的结构。

这种自组装现象在自然界中广泛存在，如蛋白质的折叠和DNA的双螺旋结构都是通过自组装形成的。

而在人工合成的纳米颗粒系统中，也可以通过控制各种相互作用力来实现自组装。

1. 范德华力的作用范德华力是纳米颗粒自组装中最常见的相互作用力之一。

范德华力是由于分子或原子之间的电荷分布不均匀而产生的吸引力或排斥力。

当纳米颗粒表面带有电荷时，范德华力会使颗粒之间相互吸引，从而促进自组装。

通过调节纳米颗粒表面的电荷性质和密度，可以控制范德华力的大小和方向，从而实现纳米颗粒的有序自组装。

2. 疏水性和亲水性的调控纳米颗粒的疏水性和亲水性也是影响自组装行为的重要因素。

疏水性的纳米颗粒在水中会聚集形成团簇，而亲水性的纳米颗粒则会分散在水中。

通过表面修饰或添加适当的表面活性剂，可以调控纳米颗粒的疏水性和亲水性，进而控制其自组装行为。

二、纳米颗粒的结构控制纳米颗粒的结构控制是指通过合理的方法和手段，精确地调控纳米颗粒的形貌、大小、组合方式等结构特征。

纳米颗粒的结构特征直接影响其物理、化学和生物性能，因此结构控制对于实现纳米颗粒的定向组装和功能化具有重要意义。

1. 模板法模板法是一种常用的纳米颗粒结构控制方法。

通过合成具有特定形状和尺寸的模板，将模板与所需材料反应，可以在模板内部或表面沉积纳米颗粒，从而实现对纳米颗粒形貌和大小的控制。

常见的模板包括胶体颗粒、纳米线、纳米孔等。

2. 电化学沉积法电化学沉积法是一种利用电化学反应控制纳米颗粒结构的方法。

通过调节电极电位和电解液成分，可以控制电化学沉积过程中的离子迁移速率和沉积速率，从而实现对纳米颗粒形貌和大小的控制。

纳米SiO2 的简单了解和应用

纳米SiO2 的简单了解和应用作者：王凯来源：《儿童大世界·教学研究》 2018年第10期纳米SiO2 是纳米材料中的重要一员，为无定形白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料，微观结构呈絮状和网状的准颗粒结构，为球形。

具有广阔的应用前景和巨大的商业价值，并为其他相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证，享有“工业味精”，“材料科学的原点”之美誉。

自问世以来，已成为当今世界材料学中最能适应时代要求和发展最快的品种之一。

一、纳米SiO2简介（一）纳米SiO2 的微观结构纳米SiO2 的分子结构呈现三维链状结构（或称三维网状结构，三维硅石结构等），表面存在不饱和的残键和不同键合状态的羟基，如图所示。

（二）纳米SiO2 的性能1. 光学性能纳米SiO2 颗粒的小尺寸效应使其具有独特的光学性能对紫外、红外和可见光具有极强的反射特性，对波长在280-300nm的紫外光反射率达80 %以上；对波长在300-800 nm的可见光反射率达85 % 以上；对波长在800-1300 nm的红外光反射率达80 % 以上。

2. 化学性能纳米SiO2颗粒具有体积效应和量子隧道效应，使其产生游渗功能，可深入到高分子化合物兀键的附近与其电子云发生重叠，形成空间网状结构，从而大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等性能。

二、纳米SiO2颗粒的制备技术纳米SiO2 颗粒制备方法分为物理法和化学法。

物理法一般指机械粉碎法，利用超气流粉碎机或高能球磨机对纳米SiO2的聚集体进行粉碎，可获得粒径为1-5 μm的超细粉体。

化学法包括化学气相法(CVD)、化学沉淀法、溶胶一凝胶法(Sol-Gel)和微乳法等。

（一）溶胶- 凝胶法溶胶-凝胶法就是将金属醇盐溶解在有机溶剂中，通过水解聚合反应形成均匀的溶胶(Sol)，进一步反应并失去大部分有机溶剂转化成凝胶(Gel)，再通过热处理，制备成膜的化学方法。

纳米SiO2 的颗粒粒径易受反应物的影响，如水和NH3H20 的浓度、硅酸酷的类型、不同的醇、催化剂的种类及不同的温度等，对这些影响因素的调控，可以获得各类结构的纳米SiO2。

SiO2胶体微球在真丝织物上的垂直沉积自组装研究

SiO2胶体微球在真丝织物上的垂直沉积自组装研究周岚;丁姣;吴玉江;董凌翔;邵建中【摘要】为研发结构生色的真丝织物,以硬质二氧化硅胶体微球为基本结构单元,采用垂直沉积自组装法,通过控制相对湿度、组装温度、胶体微球质量分数和组装溶剂等自组装因素,在真丝基底织物上构造结构色SiO2光子晶体.研究结果表明:通过严格控制垂直沉积自组装过程的组装因素,在组装温度25℃、相对湿度60％、微球质量分数2.0％、以纯水或纯乙醇为组装溶剂的条件下,可在真丝织物上制备得到三维有序的SiO2光子晶体结构,呈现双面生色效果.为在纺织品上构建光子晶体结构及其生色理论提供有益的理论支撑和实践经验.【期刊名称】《丝绸》【年(卷),期】2016(053)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】光子晶体;结构色;真丝织物;垂直沉积自组装;胶体微球【作者】周岚;丁姣;吴玉江;董凌翔;邵建中【作者单位】浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;浙江理工大学生态染整技术教育部工程研究中心,杭州310018;浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;浙江理工大学生态染整技术教育部工程研究中心,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TS195.644光子晶体是一类具有周期性排列结构的介电材料，具有光子禁带结构，当可见光落入该禁带时，特定波长的光将不能通过，而在表面发生相干衍射，产生绚丽的结构色[1]。

SiO2纳米球的粒径均一性研究及其在硅光学共振纳米柱阵列中的应用

SiO2纳米球的粒径均一性研究及其在硅光学共振纳米柱阵列中的应用彭新村;王智栋;曾梦丝;刘云;邹继军;朱志甫;邓文娟【摘要】近年来,半导体纳米结构材料的光学共振效应作为一种重要的光调控手段被广泛应用于各类光电子器件.本文用改进的两步Stober法制备了粒径在270～330 nm之间的单分散二氧化硅纳米球,通过优化工艺参数有效改善了纳米球的粒径均一性.采用恒温加热蒸发引诱自组装方法将纳米球在硅半导体上自组装成单层膜作为掩膜,采用感应耦合等离子体技术刻蚀制备了硅纳米柱阵列并测试了其光反射谱.光谱结果表明直径在300～325 nm之间的硅纳米柱阵列可以激发四极子Mie光学共振,其在可见光波段的最低反射率低于5％,具有良好的光调控性能.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2019(034)007【总页数】7页(P734-740)【关键词】自组装纳米球;纳米阵列;光学共振【作者】彭新村;王智栋;曾梦丝;刘云;邹继军;朱志甫;邓文娟【作者单位】东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013;东华理工大学教育部核技术应用工程研究中心,南昌 330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013;东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心,南昌 330013【正文语种】中文【中图分类】TN204纳米结构材料的光学共振效应作为一种重要的光调控手段引起了广泛关注[1-8]。

间接带隙硅(Si)半导体在可见光波段具有较高的折射率(>4)和较低的消光系数(<0.2), 其纳米结构材料对光具有较强的米氏散射作用, 能够激发米氏共振(Mie Resonances, MR)[9]。

纳米粒子的自组装

纳米粒子的自组装摘要：本文主要介绍了自组装的相关基础知识，并具体对纳米粒子的自组装进行了介绍，通过组装单元的类型对纳米粒子的自组装进行分类。

组装单元有柔性的也有刚性的，有各向异性的也有各向同性的。

分为各向同性刚性粒子的自组装、各向异性刚性粒子的自组装、各向异性柔性粒子的自组装以及各向同性柔性粒子的自组装这四类进行了详细介绍。

关键词：纳米粒子，自组装，刚性，柔性，各向同性，各向异性1引言组装在汉语释义中，是指把零散的部件组合在一起，使成为整体，组装的过程中，用到的是人力或者机械力。

与日常生活中的“组装”不同，自组装（self-assembly）是指在非共价力的作用下，小分子、大分子或纳米粒子组合成规则有序的物体。

这里的非共价力包括德华力、氢键、静电作用、疏水作用、偶极相互作用等，称为自组装的驱动力，非共价力不是人手或者机械可以操控的，非共价力的操控需要人们对于物理化学的原理的理解和运用。

自组装形成的规则有序的物体称为自组装体或者组装体（assembly），形成组装体的原料成为组装单元（building block），根据组装单元的不同，相应的就有小分子自组装、大分子自组装和纳米粒子的自组装。

图1.1是不同尺度物体生产的空间坐标轴，在坐标轴的右侧，常规加工可以制造各种尺寸大于0.1mm的物体，制造的技术已经非常成熟。

微加工（microfabrication）则可以制造各种复杂形貌的微米物体（1-100），比如用双光线技术。

在坐标轴的左侧，在零点几纳米到几纳米的尺度，有机化学已经可以根据需要设计合成各种目标分子，技术已经非常成熟；在几个纳米到几百纳米围，高分子化学家则可以合成各种构造的高分子入梳形高分子，胶体化学家可以合成各种纳米晶体如八角状的纳米晶体，该尺度围，虽然还不能按照需要任意地制备物体，但是已经可以制造很多种不同结构不同形貌的物体，然而对于位于坐标轴中间的几十纳米到几个微米的尺度围来说，该尺度大于化学合成所能制备的物体的上限，小于常规加工和微加工所能达到的下限，该尺度围的制造需要人们通过物理化学的原理的理解和使用来完成，这就是大分子自组装以及纳米粒子的自组装的任务所在。

《2024年Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备研究》范文

《Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备研究》篇一一、引言随着纳米科技的飞速发展，磁性纳米颗粒因其独特的物理和化学性质在众多领域中得到了广泛的应用。

其中，Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒因其良好的生物相容性、磁响应性和化学稳定性，在生物医学、药物传递、催化等领域具有巨大的应用潜力。

本文旨在探讨Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备方法及其相关性能研究。

二、制备方法概述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备主要采用溶胶-凝胶法和化学共沉淀法相结合的方法。

首先，通过化学共沉淀法合成Fe3O4磁性纳米颗粒，然后在其表面包覆一层SiO2，形成Fe3O4@SiO2核壳结构。

三、实验部分1. 材料与试剂实验所需材料包括：铁盐、碱溶液、硅源、催化剂等。

所有试剂均为分析纯，使用前未进行进一步处理。

2. Fe3O4磁性纳米颗粒的合成将铁盐溶液与碱溶液混合，通过共沉淀法合成Fe3O4磁性纳米颗粒。

在反应过程中，控制反应温度、pH值和反应时间，以获得理想的颗粒大小和形态。

3. Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备将合成的Fe3O4磁性纳米颗粒分散在硅源溶液中，加入催化剂，通过溶胶-凝胶过程在Fe3O4颗粒表面包覆一层SiO2。

在包覆过程中，控制反应温度、时间和硅源浓度，以获得理想的核壳结构。

四、结果与讨论1. 形貌与结构分析通过透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）对制备的Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒进行形貌和结构分析。

结果表明，颗粒呈球形，具有明显的核壳结构，且结晶度良好。

2. 磁性能分析通过振动样品磁强计（VSM）对Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的磁性能进行分析。

结果表明，该颗粒具有较高的饱和磁化强度和良好的磁响应性。

3. 包覆效率与稳定性分析通过测量SiO2层厚度和包覆前后的粒径变化，计算包覆效率。

同时，通过长期稳定性实验评估Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒在水溶液中的稳定性。

结果表明，该颗粒具有良好的包覆效率和较高的稳定性。

二氧化硅微球的制备及其胶体晶体的自组装

二氧化硅微球的制备及其胶体晶体的自组装二氧化硅微球的制备及其胶体晶体的自组装随着科技的不断进步与发展，人们在研究和应用纳米材料方面取得了很多成果。

而作为一种具有极小尺寸和高比表面积的纳米材料，二氧化硅微球在无机材料中具有很高的研究价值。

本文将介绍二氧化硅微球的制备方法和其在胶体晶体自组装方面的应用。

一、二氧化硅微球制备方法1. 模板法模板法是一种常见的制备二氧化硅微球的方法，其主要过程为在模板上沉积硅源，再经高温煅烧使模板炭化后得到二氧化硅微球。

常用的模板有聚苯乙烯微球、氧化膜和软模板等。

该方法制备的二氧化硅微球形态规整、尺寸可控，同时模板的选择也可以决定微球的孔径大小。

2. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种将前驱体溶胶随后凝胶化形成纳米粒子的方法。

该方法将前驱体通过溶解、水解、聚合、组装等过程，形成纳米颗粒，并将溶胶凝胶在一定介质中，最后经过高温煅烧得到二氧化硅微球。

该方法制备的二氧化硅微球具有均匀的孔径分布和可调控的孔径大小。

二、胶体晶体的自组装胶体晶体是一种由微米级球形粒子组成的周期性结构，在材料光学和电学性能方面具有重要应用。

而二氧化硅微球具有高表面积和极小的尺寸，可以在胶体晶体中扮演重要的角色。

1. 原理胶体晶体的自组装主要是利用粒子之间的静电作用、范德华力等相互作用力，将粒子组装成一定的周期性结构。

二氧化硅微球可以通过自组装形成三维六方密排的立方体结构、蜂窝结构或者复杂的结构，具有较好的光学和电学性能。

2. 应用胶体晶体的自组装可以应用于传感器、光电器件、光子带隙材料等领域。

二氧化硅微球自组装的胶体晶体也有广泛的应用。

例如，二氧化硅微球胶体晶体可以制备为光子带隙材料，具有较好的光学性能，可以用于制备高效率的太阳能电池。

此外，还可以将颜色调节剂和荧光染料等杂质引入二氧化硅微球胶体晶体中，制备出多种特性的胶体晶体材料。

总之，二氧化硅微球在制备和应用方面具有很高的研究价值。

其制备方法和胶体晶体的自组装应用对相关领域的深入探究和实际应用都具有十分重要的作用。

二氧化硅纳米颗粒的合成与表征

二氧化硅纳米颗粒的合成与表征纳米科技在现代科学领域中扮演着重要的角色，纳米材料的合成与表征是其中至关重要的一环。

本文将探讨二氧化硅纳米颗粒的合成方法以及相关的表征技术。

一、二氧化硅纳米颗粒的合成方法1. 溶胶-凝胶法(Sol-Gel Method)溶胶-凝胶法是一种常用的制备二氧化硅纳米颗粒的方法。

该方法主要通过将硅源溶解在适当的溶剂中，然后加入催化剂和表面活性剂，使得硅源逐渐凝胶化为固态颗粒。

最后通过热处理，去除溶剂和表面活性剂，得到纯净的二氧化硅纳米颗粒。

2. 气相沉积法(Gas-Phase Deposition)气相沉积法通过将二氧化硅前驱物蒸发至高温高压的环境中，使其分解并沉积在基底表面上。

通过控制沉积条件，可以得到不同形态和尺寸的纳米颗粒。

这种方法具有制备高纯度、高结晶度的纳米颗粒的优势。

3. 胶体溶胶法(Colloidal Sol-Gel Method)胶体溶胶法是一种通过制备稳定的胶体溶液来合成纳米颗粒的方法。

其基本原理是将硅源与溶剂、还原剂和表面活性剂进行反应，形成胶体溶液。

通过调节反应条件，如温度和pH值等，可以控制纳米颗粒的形貌和尺寸。

二、二氧化硅纳米颗粒的表征技术1. 扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜是一种常用的表征纳米颗粒形貌和尺寸的技术。

通过扫描电子束照射样品表面，获得样品表面形貌的高分辨率图像。

利用SEM可以观察到纳米颗粒的形貌、大小和分布情况。

2. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是一种表征纳米颗粒内部结构的重要工具。

通过将电子束穿过样品，得到电子衍射图样和高分辨率图像。

透射电子显微镜可以揭示纳米颗粒的晶体结构、晶格参数以及纳米颗粒之间的相互作用。

3. X射线衍射(XRD)X射线衍射是一种用来表征纳米颗粒晶体结构的方法。

通过使X射线入射到样品表面，观察X射线的衍射图案，可以确定纳米颗粒的晶体结构、晶格常数和晶体尺寸等信息。

4. 红外光谱(IR)红外光谱可以用来表征纳米颗粒的表面官能团和化学组成。

介孔二氧化硅纳米粒子的制备研究

科技创新导报2012 NO.36Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald21研究报告介孔二氧化硅纳米粒子的制备研究李娟秦兴章（扬州大学化学化工学院江苏扬州 225002）摘要：介孔材料由于其具有较大的比表面积和吸附容量，因此在吸附、分离、催化等领域都具有广泛的应用。

该文采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模版，溶胶凝胶法合成了介孔二氧化硅纳米粒子，通过透射电镜（TEM）和低温氮吸附等表征方法对合成介孔二氧化硅的结构和性能进行了分析，讨论了不同四甲氧基硅烷（TMOS）、CTAB量对介孔二氧化硅纳米粒子的粒径、比表面积及孔径的影响。

关键词：介孔二氧化硅溶胶凝胶法中图分类号：TQ01 文献标识码：A 文章编号：1674-098X （2012）12（c）-0021-02介孔材料是多孔材料中的重要组成部分，由于具有较大的比表面积和吸附容量，因此在吸附、分离、催化等领域都具有广泛的应用。

根据微观结构的区别，介孔二氧化硅可分为两大类型：一类则是以二氧化硅干凝胶和气凝胶为代表的无序介孔固体，其中介孔的形状不规则但是相互连通。

孔形常用墨水瓶形状来近似描述，细颈处相当于不同孔之间的通道。

另一类是Back等人[1-2]于1992年首次报道的M41S（MC M-41，MC M-48，MC M-50）系列的介孔二氧化硅，其结构特点是孔径大小均匀，按六方有序排列，在不同制备条件下，孔径在1.5～10 n m范围内可连续调节。

孔形可分三类：定向排列的柱形孔；平行排列的层状孔；三维规则排列的多面体孔。

这种合成方法可以得到均一的多孔结构，引起了在多相催化、吸附分离以及高等无机材料等学科领域研究人员的浓厚兴趣[3-6]。

介孔材料在种类及应用上都得到了蓬勃的发展。

目前合成介孔材料主要采用水热合成法、室温合成、微波合成、湿胶合成法以及相转移法等。

一种合成二氧化硅纳米粒子的新方法

一种合成二氧化硅纳米粒子的新方法摘要在溶胶-凝胶过程通过使用超声法，已第一次使用顺序的方法制备单分散的和大小均匀的二氧化硅纳米颗粒。

在乙醇介质中，通过水解正硅酸四乙酯（TEOS），得到二氧化硅颗粒，并对不同试剂对粒径的影响进行了详细的研究。

各种在20-460nm范围内的不同大小的颗粒的合成。

实验用到试剂：氨水（2.8-28molL-1），乙醇（1-8molL-1），水（3-14molL-1），和TEOS（0.012-0.12molL-1），而粒子的尺寸在扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM)下观察。

除了上述的观察，温度对粒径的影响也进行了研究。

在本研究中所获得的结果是与利用紫外-可见分光光度法测定的所观察到二氧化硅粒子的电子吸收行为的结果一致。

1、介绍二氧化硅纳米粒子因为他们容易制备和其在各种工业中的广泛应用，如催化剂，颜料，制药，电子和薄膜基板，电子和热绝缘体，和湿度传感器[1]，在科研中占据了突出的位置。

这些产品中的一些产品的质量高度依赖于这些粒子的粒径和粒径分布。

Stober 等人[2]在1968年,报道了一项先进的合成球形和单分散二氧化硅纳米粒子的方法，即从从硅醇盐的的乙醇水溶液，在以氨水作为催化剂的存在下,制备从50nm至1μm的不同尺寸范围的具有窄粒度分布的二氧化硅纳米粒子。

颗粒的大小取决于硅醇盐和醇的类型。

在甲醇溶液中制备的颗粒是最小的，而颗粒尺寸是随着醇的链长增加而增大的。

当长链醇被用作溶剂，颗粒尺寸分布也变宽。

在此之后，在这一领域[3-11]也进行了大量的研究。

在本研究中，主要涉及两种类型的反应：（ⅰ）通过水解形成硅羟基和（ii）硅氧烷桥所形成的缩聚反应：水解作用：Si–(OR)4 + H2O →Si–(OH)4+ 4R–OH，缩合：2Si–(OH)4→2(Si–O–Si) + 4H2O。

缩合速率取决于反应条件，这可能会导致形成一个三维网状的结构，或形成单一的单分散颗粒[12]。

纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装

第39卷第1期陕西科技大学学报 V o l.39N o.1 2021年2月 J o u r n a l o f S h a a n x iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y F e b.2021* 文章编号:2096-398X(2021)01-0117-09纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装迟聪聪,任超男,屈盼盼,许馨,郭敏(陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室中国轻工业纸基功能材料重点实验室,陕西西安 710021)摘要:对传统的S töb e r法进行改进,采用分步滴加法来控制微球成核及生长速率,避免二次成核及粒子团聚,可在短时间内合成粒径可控㊁单分散性好㊁表面光滑的纳米二氧化硅(S i O2)微球,且粒径分布较窄(120~530n m).研究了前驱体正硅酸乙酯(T E O S)滴加方式㊁前驱体浓度㊁催化剂氨水(N H3㊃H2O)用量㊁反应温度对S i O2粒径和结构的影响,并通过调控S i O2微球粒径制备结构色可控的光子晶体.采用X R D㊁S E M㊁F T-I R㊁U V-V i s-N I R等对样品的物相结构㊁微观形貌和光学特性进行了表征.结果表明:S i O2的粒径随温度的升高而减小,随前驱体浓度和催化剂用量的增加而增大.光子晶体的光子带隙位于可见光区域,反射峰峰值随着微球粒径的增大逐渐红移.但由于一些不可避免的缺陷的存在,带隙位置会发生一定偏移.关键词:S töb e r法;分步滴加法;二氧化硅;结构色;光子晶体中图分类号:T B321 文献标志码:AC o n t r o l l a b l e s y n t h e s i s o f n a n o-s i l i c a a n d s e l f-a s s e m b l yo f p h o t o n i c c r y s t a l sC H IC o n g-c o n g,R E N C h a o-n a n,Q U P a n-p a n,X U X i n,G U O M i n(N a t i o n a lD e m o n s t r a t i o nC e n t e r f o rE x p e r i m e n t a lL i g h tC h e m i s t r y E n g i n e e r i n g E d u c a t i o n,S h a a n x iP r o v i n c eK e y L a b o r a t o r y o fP a p e r m a k i n g T e c h n o l o g y a n dS p e c i a l t y P a p e r,K e y L a b o r a t o r y o fP a p e rb a s e dF u n c t i o n a lM a t e r i a l s o fC h i n aN a t i o n a l L i g h t I n d u s t r y,S h a a n x iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i'a n710021,C h i-n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h eo r i g i n a lS töb e rm e t h o d,a m u l t i-s t e p a d d i t i o n m e t h o dw a sa p p l i e dt oc o n t r o l t h en u c l e a t i o na nd g r o w t hr a t eo fn a n os i l i c a(S i O2),a v o i d i n g se c o n d a r y n u c l e a t i o na n d a g g l o m e r a t i o n.T h e nt h es i z e-c o n t r o l l ab l ea n dh i g h l y m o n o d i s p e r s e d m ic r o s p h e r e sw i t hs m o o t hs u r f a c e a r e p r e p a r e d,a n d t h e s i z e d i s t r i b u t i o n i s n a r r o w,r a n g i n g f r o m120n mt o530n m.T h ee f f e c to f p r e c u r s o ra d d i n g m e t h o d,p r e c u r s o rd o s a g e,c a t a l y s td o s a g ea n dr e a c t i o n t e m p e r a t u r e o n t h e s i z e a n dm o r p h o l o g y o f S i O2w a s e x p l o r e d.A n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t r u c t u r a l c o l o r o f p h o t o n i c c r y s t a l s a n d s i z e o f S i O2p a r t i c l e s i s o b t a i n e d t h r o u g h i n v e s t i-g a t i o n.T h e s t r u c t u r e a n d o p t i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s a m p l e sw e r e c h a r a c t e r i z e d b y X R D,S E M,F T-I Ra n d U V-V I S-N I R.I t i ss h o w nt h a t t h e p a r t i c l es i z eo fs i l i c ad e c r e a s e sw i t ht h e i n-c r e a s e o f t e m p e r a t u r e,b u t i t i n c r e a s e sw i t ht h eh i g h e r p r e c u r s o rc o n c e n t r a t i o no ra mm o n i ad o s a g e.T h eb a n d g a p o f p h o t o n i c c r y s t a l s i s i n t he v i s i b l e l i g h t r e g i o n,a n d t h e r ef l e c t i o n p e a k*收稿日期:2020-10-04基金项目:国家自然科学基金项目(31600476);陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心项目(2018Q S G01-06);陕西科技大学大学生创新创业训练计划项目(2018033)作者简介:迟聪聪(1981-),女,山东青岛人,副教授,博士,研究方向:功能绿色印刷包装材料㊁木质纤维素材料与转化陕西科技大学学报第39卷g r a d u a l l y r e d s h i f t sw i t h t h e i n c r e a s e o f p a r t i c l e s i z e.T h e r em a y b e c e r t a i ns h i f t so f b a n d g a pp o s i t i o nd u e t o s o m eu n a v o i d a b l e d e f e c t s.K e y w o r d s:S töb e rm e t h o d;m u l t i-s t e p a d d i t i o n;S i O2;s t r u c t u r a l c o l o r;p h o t o n i c c r y s t a l0 引言与传统的色素色或颜料色不同,结构色是由材料的微观结构与光的相互作用引起的散射㊁衍射等光学现象而产生的颜色,其具有饱和度高㊁绿色环保和不褪色等优点.光子晶体是由两种或两种以上的电介质在微纳米尺度上周期排列形成的人工微结构[1,2],其光子禁带㊁光子局域等特殊的光学结构使光子晶体能够对光进行调控,并发生布拉格衍射从而形成色彩鲜艳的结构色[3,4].具有良好单分散性的微粒在光子晶体领域中具有广泛应用[5],主要包括聚苯乙烯(P S)[6]㊁聚甲基丙烯酸甲酯(P MMA)[7]㊁氧化亚铜(C u2O)[8]㊁二氧化硅(S i O2)[9]等.其中S i O2是一种无毒㊁无味且无污染的无机材料,球形S i O2形貌规整,表面的硅羟基能作为改性的桥梁,使S i O2粒子实现功能化,制备出多种性能优良㊁能在纳米材料中应用的功能材料[10,11].由于S i O2胶体微球制备工艺简单,形貌可控,易于制备出不同粒径范围的纳米球,因而在光子晶体材料方面的应用更具有优势和潜力[12-14].S töb e r等[15]提出在醇介质中氨水解正硅酸乙酯(T E O S)来制备单分散S i O2的方法,之后也有许多学者研究S i O2的合成机理并以其为基元制备光子晶体材料[16].王璐等[17]研究了催化剂N H3㊃H2O添加方式对S i O2微球粒径的影响,制备出25~160n m 的S i O2微球.叶思云[18]以纳米S i O2微球为结构单元,构建发生结构色变化的响应型光子晶体印刷物.N a m H等[19]将光子晶体作为油墨”,制造出具有多种较弱结构色的全息图.但S töb e r法中不同条件对S i O2的影响比较复杂,因而明确反应条件对S i O2形貌及粒径的影响规律很有必要,这对于粒径更均一的高质量S i O2的可控制备具有指导意义.另外,微球粒径与光子晶体的光学特征之间的构效关系仍需进一步确定.本文对传统的S töb e r法进行改进,采用两步滴加法制备出形貌规则㊁尺寸均一㊁单分散的非晶态S i O2微球.探究了前驱体浓度㊁反应温度㊁催化剂用量对S i O2微球粒径大小的影响,研究不同热处理温度下S i O2粉体的物相结构,采用双基片垂直自组装法制备不同结构色的光子晶体并进行光学性能表征.1 实验部分1.1 材料与试剂正硅酸乙酯(T E O S),分析纯,天津市大茂化学试剂厂;无水乙醇(C2H5O H),分析纯,天津市大茂化学试剂厂;氨水(NH3㊃H2O)(25%~28%)天津市富宇精细有限公司;双氧水(H2O2)(30%),分析纯,天津市致远化学试剂有限公司.1.2 二氧化硅微球的制备取一定量的T E O S与乙醇磁力搅拌混合均匀为A液,另取一定量的氨水与无水乙醇磁力搅拌混合均匀为B液,然后将A液分别采用三种不同方式(一次性;分两次,间隔30m i n;分三次,每次间隔30m i n.)滴加到B液中.将反应体系置于一定温度的水浴锅中反应5h后得到S i O2悬浊液,分别用去离子水和乙醇离心洗涤三次后置于烘箱75℃烘干,取出后用研钵研磨后得到S i O2粉末.1.3 二氧化硅基光子晶体的自组装将载玻片浸泡在30%的H2O2溶液中24h,取出后先用去离子水清洗,再用无水乙醇清洗,烘干再将载玻片置于等离子清洗机中亲水处理50m i n.称取一定质量的S i O2粉末分散到乙醇中,超声分散后得到一定质量分数的S i O2乙醇溶液.将亲水处理过的载玻片组装成双基片装置,垂直插入S i O2乙醇溶液中,置于45℃烘箱中恒温干燥,待溶液蒸发完全即可在载玻片上得到呈现出结构色的光子晶体薄膜.1.4 测试与表征试样的物相结构分析采用X-射线衍射仪(X R D,日本理学,D/m a x2200P C),使用C u C a射线,扫描速度为6°/m i n;化学键结构分析用傅里叶变换红外光谱仪(F T-I R,德国B r u k e r,V70),使用K B r空白压片作为参照,取3m g S i O2粉末与150 m g K B r混合均匀并压片制样后扫描;微观结构分析用扫描电子显微镜(S E M,日立,S-4800),对S i O2粉末和光子晶体材料表面喷金90s后观察其形貌;S i O2微球的粒径分布采用表面电位分析仪(英国M a l v e r n,Z S90),配置3%浓度的S i O2乙醇分散液进行粒度分析;薄膜的光学特征采用紫外-可见-近红外分光光度计(U V-V i s-N I R,美国安捷伦,C a r y5000),测试样品的反射光谱.㊃811㊃第1期迟聪聪等:纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装2 结果与讨论2.1 T E O S滴加方式对S i O2微球的影响机理研究采用两步滴加的方式,以T E O S为硅源, N H3㊃H2O作为催化剂,在醇介质中发生水解和缩合反应生成S i O2[20].用该方法合成纳米S i O2微球的过程涉及三个反应:(1)生成硅羟基(S i-O H)的水解反应;(2)生成醇的缩合反应;(3)生成水的缩合反应[21].以上反应的表达式分别为:S i-O R+H2O→氨水S i-OH+R O H(1) S i-O R+HO-S i→氨水S i-O-S i+R O H(2) S i--O H+HO-S i→氨水S i-O-S i+H2O(3) 式(1)㊁(2)中:R=C2H5.如图1所示:图1(a)是将A液一次性加入到B液中,S i O2颗粒生长过程中较易团聚形成大面积胶体团,生成的S i O2存在部分团聚现象,粒径不均,无法获得分散性良好的S i O2微球.这可能由于T E O S浓度剧增使其未能反应完全,T E O S上被取代的氧乙基就少.其完全水解生成的中间产物是形成形貌规整㊁粒径均一的S i O2粒子的关键.中间产物由于存在较大的空间位阻难以互相脱水缩聚,导致成核速度慢㊁成核较少且后期容易形成新核,由于旧核与新核的生长机理不同,二次成核导致最终微球粒径生长不均匀.除此之外,随着T E O S浓度的骤然增加,水解所得到的中间产物硅酸的浓度增大,如果体系中的中间产物的浓度很高,体系处于热力学不稳定状态,容易使生成的S i O2小球互相粘结.当A液分两次滴加入B液时,-O H浓度较高,进攻T E O S的机会增多,T E O S迅速水解, T E O S上被取代的氧乙基就多,空间位阻小有利于中间产物脱水缩聚的进行,体系中成核速度加快,在短时间内就可以形成大量微核,颗粒生长受微核表面S i O2分子扩散情况的影响和交联生长过程控制,所以微粒会均匀生长,形成如图1(b)所示粒径均匀的球状颗粒.S i O2粒子的尺寸与单分散性,由初级粒子的聚集速度和成核速度决定.如果初级粒子的聚集速度大于成核速度,则最终粒子的尺寸大且单分散性较好;反之,如果初级粒子的聚集速度小于成核速度,则最终粒子的尺寸小且单分散性差(粒径不均一)[21].所以使用T E O S为硅源制备纳米S i O2微球时,为了达到粒子聚集速度和成核速度的平衡,避免出现二次成核”,采取分步加入硅源的方法,可以控制反应的成核速率,易制备出分散性良好的S i O2微球.分三步加入同等总量的硅源时,在相同的反应时间下得到的S i O2粒径如图1(c)所示.粒径明显减小,且出现椭圆㊁形状略扁㊁甚至有棱角的S i O2粒子.这是因为S i O2在反应早期成核后,由于T E O S浓度缓慢增加,S i O2粒子的生长也较为缓慢,需要延长反应时间使其生长完全为成熟”的S i O2微球.因此,为节省反应时间,在提高效率的同时得到高球度且粒径分布窄的纳米S i O2,后续实验均采用两步滴加的方式来制备S i O2微球.(a)一步滴加T E O S 时微球形貌(b)两步滴加T E O S 时微球形貌(c)三步滴加T E O S时微球形貌图1 S i O2微球的S E M图(反应条件:V T E O S= 3m L,V N H3=4m L,V乙醇=50m L,32℃) 2.2 T E O S用量对S i O2微球的影响保持乙醇㊁N H3㊃H2O用量不变,探讨T E O S 用量对S i O2微球粒径的影响.从图2㊁图3和图4可以看出,随着T E O S用量由1.5m L增加到3.5m L, S i O2微球粒径由图2(a)的312n m增加到图2(c)的374n m,这是因为随着T E O S浓度的提高,溶液中T E O S的水解速率增快,生成的短链交联结构㊃911㊃陕西科技大学学报第39卷逐渐增加,在脱水缩合过程中,短链间交联不断加强,其聚合度也会增加,结果导致生成的S i O2微球粒径变大.(a)T E O S为1.5m L 时微球形貌(b)T E O S为2.5m L 时微球形貌(c)T E O S为3.5m L时微球形貌图2 T E O S用量对微球形貌的影响(反应条件:V N H3=4m L,V乙醇=50m L,32℃)(a)T E O S为1.5m L时微球的粒径分布(b)T E O S为2.5m L 时微球的粒径分布(c)T E O S为3.5m L时微球的粒径分布图3 T E O S用量对微球粒径分布的影响(反应条件:V N H3=4m L,V乙醇=50m L,32℃)图4 T E O S用量对微球粒径的影响2.3 反应温度对S i O2微球的影响T E O S的水解反应是羟基逐步取代四个乙氧基的过程,期间需要的活化能逐渐增多使得取代的难度增加,而提高反应温度可为此提供更多的能量,使水解反应进行得更彻底[22].反应(2)和(3)都是形成S i-O-S i键的缩合反应,这是形成纳米S i O2粒子的核心所在,这两个反应的速率常数都随着反应温度的升高而减小,纳米S i O2的粒径大㊃021㊃第1期迟聪聪等:纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装小可由缩合反应的速率来控制.升高温度也有利于小颗粒从其它颗粒表面脱附,使得被覆盖的活性基团能够继续参与反应.由图5㊁图6和图7可以观察到,当温度从28℃升高到40℃时,S i O2微球的粒径从472n m减小到167n m,说明反应过程中温度对S i O2微球尺寸的影响较大.反应温度与粒径之间的变化规律与T E O S水解缩合过程中S i O2微球的生长速率和成核速率有密切的关系.当温度较低时,T E O S的水解速率比较慢,新生的S i O2晶粒较少,已经成核的S i O2晶粒不断长大,即S i O2的生长速率大于其成核速率,最终形成的S i O2晶粒就比较大,但是晶粒数量比较少;当温度较高时,T E O S能够迅速水解,不断有新的晶核形成,晶核数目比较多,即成核速率大于其生长速率,从而粒径比较小.(a)反应温度为28℃时微球形貌(b)反应温度为36℃时微球形貌(c)反应温度为40℃时微球形貌图5 反应温度对微球形貌的影响(反应条件: V T E O S=3m L,V N H3=4m L,V乙醇=50m L )(a)反应温度为28℃时微球的粒径分布(b)反应温度为36℃时微球的粒径分布(c)反应温度为40℃时微球的粒径分布图6 反应温度对微球粒径分布的影响(反应条件:V T E O S=3m L,V N H3=4m L,V乙醇=50m L )图7 反应温度对微球粒径的影响㊃121㊃陕西科技大学学报第39卷2.4 N H3㊃H2O用量对S i O2微球的影响在确保其他条件不变的前提下,探讨催化剂N H3㊃H2O用量对微球的影响.从图8㊁图9和图10可以看出,随着N H3㊃H2O浓度的增大,S i O2微球粒径也会增大.在一定范围内,从图8(a)的374n m增加到图8(c)的531n m.这是因为S i O2的合成过程涉及到水解㊁成核和颗粒的生长三个过程,其中成核是在T E O S加入的早期就快速形成的,而水解是整个反应过程的关键因素,能控制水解的条件也是能控制成核与颗粒生长的因素.当其它条件保持不变时,N H3㊃H2O浓度增大会提高溶液中O H-的浓度,从而促进T E O S的水解,另一方面,N H3㊃H2O在促进水解与缩合反应速率的同时也加速了中间产物的生成与消耗,这将导致成核的数量降低,所以在前驱体浓度不变的情况下,最终会得到更大粒径的微球.(a)N H3㊃H2O用量为3.5m L 时微球形貌(b)N H3㊃H2O用量为4.5m L 时微球形貌(c)N H3㊃H2O用量为5.5m L时微球形貌图8 N H3㊃H2O用量对微球形貌的影响(反应条件:V T E O S=3m L,V乙醇=50m L,32℃)(a)N H3㊃H2O用量为3.5m L 时微球的粒径分布(b)N H3㊃H2O用量为4.5m L 时微球的粒径分布(c)N H3㊃H2O用量为5.5m L时微球的粒径分布图9 N H3㊃H2O用量对微球粒径分布的影响(反应条件:V T E O S=3m L,V乙醇=50m L,32℃)图10 氨水浓度对微球粒径的影响㊃221㊃第1期迟聪聪等:纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装2.5 不同热处理温度对S i O2物相结构的影响图11是不同温度热处理后S i O2微球的X R D 衍射谱图.由图可以看出,不同热处理温度下的试样均在θ=22°附近出现馒头型衍射峰,这表明制备的纳米S i O2为非晶态.图11 不同温度热处理S i O2的X R D衍射谱图图12是S i O2粉体在不同温度热处理2h后的红外光谱图.从图中可以看出,样品的红外光谱吸收曲线中存在多个吸收峰,在796c m-1㊁967c m-1㊁1102c m-1㊁1631c m-1㊁3430c m-1均出现了特征峰.其中796c m-1处的吸收峰是S i-O键对称伸缩振动引起的;1102c m-1处的峰是S i-O-S i键的不对称伸缩振动引起的;967c m-1处的吸收峰是S i-OH键的弯曲振动引起的,S i O2微球粉体经高温处理后,该吸收峰大幅度减弱,且随温度的升高逐渐消失.说明在该过程中,S i-O H键完全缩合成为S i-O-S i化学键;在1631c m-1附近的吸收峰是粉体中含有少量水分引起的H-O-H 键的弯曲振动峰,随着热处理温度的升高,水分含量逐渐降低,该吸收峰逐渐减弱甚至消失;在3430c m-1处较宽的吸收峰属于S i O2㊃x H2O结构中水-O H的典型反对称伸缩振动峰,随着热处理温度的升高,峰强度也在逐渐减弱,说明粉体中结构水的含量逐渐减少.从实验样品的红外光谱图中可以看出实验合成的微粒是一种纯相的纳米S i O2[23].图12 不同温度热处理后S i O2的红外光谱2.6 光子晶体垂直自组装及薄膜的光学特征光子晶体自组装所需要的条件有硬球排斥㊁粒径均一㊁粒子间范德华力㊁体系趋于稳定.其中硬球排斥和粒子间范德华力是纳米胶体溶液本身固有的性质,其它条件主要通过优化制备工艺来实现.因此微球的粒径分布和稳定的体系是组装过程中的实际可控因素.影响体系稳定性的因素主要有微球粒径㊁球体表面性质㊁微球体积分数㊁溶剂种类等[24].采用双基片垂直自组装法,将载玻片以垂直的方式放置于分散胶体颗粒的悬浮液中,利用乙醇溶液的不断蒸发和S i O2微球悬浮液与载玻片之间产生的毛细管力,驱使S i O2微球不断向载玻片移动,然后在溶液表面张力的协同作用下实现S i O2微球粒子的自组装[25],最终合成结构色光子晶体.垂直沉积自组装机理如图13所示.图13 垂直自组装光子晶体机理示意图图14为紫外光以垂直方向入射光子晶体薄膜得到的反射光谱图.将不同粒径的S i O2微球自组装得到的光子晶体薄膜,采用反射光谱对其光子禁带进行表征,测试时光谱仪的入射光是垂直于薄膜样品的表面,当入射光的波长范围落在光子晶体的带隙内时,该区域的光在光子晶体内部是被禁止传播而反射的,通过测试某一方向上反射光谱的峰值,就可以得到该光子晶体带隙的位置.从图中可以发现,光子晶体薄膜的带隙位置和S i O2微球粒径之间存在一定的对应关系,如果改变S i O2微球的粒径大小,带隙位置也随之改变,引起薄膜的颜色产生变化.所以,可以通过对微球粒径大小的调节,来实现对光子晶体薄膜光学性能的调控.㊃321㊃陕西科技大学学报第39卷图14 不同粒径S i O2微球自组装光子晶体薄膜的反射光谱图由图14可知,随着S i O2微球的粒径由194n m 逐渐增大到374n m,相应的光子晶体的光子带隙的中心波长由370n m增大到775n m,反射光谱发生了红移,相应的结构色从紫色变为红色.光子禁带和结构色可以用布拉格方程(B r a g g L a w)[26]描述: mλp e a k=2d h k l[n2e f f-s i nθ2]12(4) 式(4)中:m是衍射级数,λp e a k是反射峰的波长,d h k l为晶体在(h k l)方向上的晶格间距,它与聚合物微球的粒径有关,n e f f是晶格的有效折射率;θ为入射光的角度.一般来说,光子晶体的(111)晶面平行于玻璃基板的表面.在光谱测量中,设定入射光垂直于(111)晶面,即θ=0,m=1.对于面心立方结构来说,晶格间距可由公式(5)计算得:d111=æèçöø÷2312D s p h e r e(5) 式(5)中:D s p h e r e为S i O2微球的直径.对于密堆积结构,其有效折射率可用公式(6)计算得:n e f f[n2S i O2+n2a i r(1-f)]12(6) 式(6)中:布拉格方程计算所得二氧化硅光子晶体结构色薄膜的反射峰波长和实验测得的波长如表1所示.n S i O2和n a i r分别为二氧化硅和空气的折射率, f为二氧化硅的填充率.即n S i O2=1.45,n a i r=1, f=0.74.根据布拉格方程计算所得二氧化硅光子晶体结构色薄膜的反射峰波长与实际测得波长数据如表1所示.表1 不同粒径二氧化硅微球自组装光子晶体薄膜反射峰的理论值与实验值样本粒径/n mλ理论/n mλ实际/n m1#194426370/6252#2786115303#3257156464#374822455/775 随着微球粒径的逐渐增大,薄膜中光子带隙的位置也随之向长波段移动,比如图中粒径为278n m 的S i O2微球其中心光子带隙约在530n m处,带隙位置处于绿光波段,所以整个光子晶体薄膜显现绿色.图中粒径为194n m的S i O2微球其带隙约在370n m处,粒径为374n m的S i O2微球其带隙约在775n m处,均显现出蓝绿色,这种现象是由于光的布拉格二次衍射造成的,所以显现出介于蓝色和绿色之间的颜色,如图15所示.(a)278n m (b)374n m图15 光子晶体薄膜图表1数据显示,理论计算值与实际测量值之间存在一定的差异.S i O2微球在自组装过程会受外界干扰,虽然制得的光子晶体薄膜是层层排布㊁整齐有序的六角密排结构,但部分颗粒之间存在较大空隙,导致其表面存在一些线缺陷㊁点缺陷和位错等,薄膜裂纹的缺陷使得光子晶体薄膜的带隙位置发生偏移,如图16所示.(a)完整薄膜图(b)局部缺陷放大图图16 光子晶体薄膜S E M图这可能是由于在样品制备过程中,无法保持外界环境绝对稳定,例如温度改变引发的溶液蒸发速率的变化,以及由于某些因素引起的微小震动等都有可能使S i O2胶体微球脱离平衡态,导致自组装样品存在缺陷.各种类型的缺陷产生的散射光波和光子晶体周期性结构产生的散射光波相互叠加,因相位差异会削弱光反射峰强度,也就是说当样品中的缺陷的增多时,光子晶体薄膜的带隙会有较大的变化,薄膜样品的光反射性能会降低[27].这使理论㊃421㊃第1期迟聪聪等:纳米二氧化硅的可控制备及其光子晶体自组装推导中所采用的参数与实际样品的几何参数之间存在一定程度的偏差,从而导致实验值与理论值产生差异.3 结论(1)对传统的S töb e r法进行改进,采用两步滴加T E O S的方式明显改善了S i O2微球的单分散性,防止微粒团聚的同时得到粒径分布窄(120~ 530n m)的S i O2微球.(2)一定范围内,前驱体用量的增加,反应温度的降低,或催化剂N H3㊃H2O浓度的增大,均使S i O2微球粒径增大.T E O S用量从1.5m L增加到4.5m L,微球粒径由310n m增大到430n m;反应温度从28℃升高到40℃时,S i O2微球的粒径由472n m减小到167n m;N H3㊃H2O用量从3m L 增加到6m L,微球粒径由370n m增大到550n m.因此,可通过调控上述反应条件来制备不同粒径范围的S i O2微球.(3)采用不同粒径的S i O2微球来进行垂直自组装,待溶液蒸发完全后可得到不同颜色的结构色光子晶体.微球粒径逐渐增大时,薄膜中光子带隙的位置也随之向长波段移动.光子晶体内部总体呈现有序的六角排列,但一定缺陷使得光子晶体的带隙位置发生偏移.参考文献[1]J o h nS.S t r o n g l o c a l i z a t i o n o f p h o t o n s i n c e r t a i n d i s o r d e r e dd ie l l e c t r i c s u p e r l a t t i c e s[J].P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s,1987,58:2486-2489.[2]E l i,Y a b l o n o v i t c h.I n h i b i t e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n i n s o l i d-s t a t e p h y s i c s a n d e l e c t r o n i c s[J].P h y s i c a l R e v i e wL e t t e r s,1987,58(20):2059-2062.[3]黎哲祺,卢裕能,谭海湖,等.图案化胶体光子晶体的制备与防伪应用研究进展[J].包装学报,2019,11(5):50-59.[4]曾琦,李青松,袁伟,等.非晶无序光子晶体结构色机理及其应用[J].材料导报,2017,31(1):43-55.[5]乔路.基于T i O2-S i O2胶体微球的结构生色纤维制备及其性能研究[D].武汉:武汉纺织大学,2017.[6]L i b e r m a n M a r t i nAL,C h uCK,G r u b b sR H.A p p l i c a t i o no f b o t t l e b r u s hb l o c kc o p o l y m e r sa s p h o t o n i c c r y s t a l s[J].M a c r o m o l e c u l a rR a p i d C o mm u n i c a t i o n s,2017,38(13):1022-1336.[7]L i S,F u M,Z h a n g Y,e t a l.P h o t o r e f r a c t i v e p h o t o n i c c r y s-t a l s f a b r i c a t e dw i t hP MMAa n d5C Bb a s e dm a t e r i a l s u s i n gt h r e e-d i m e n s i o n a l c o l l o i d a l c r y s t a l s[J].J o u r n a l o fM a t e r i-a l sC h e m i s t r y C,2013,33(1):5072-5077.[8]W a n g Q,S h a n g Y,Y u L,e ta l.F a c e t-d e p e n d e n tC u2On a n o c r y s t a l s i n m a n i p u l a t i n g a l i g n m e n to f l i q u i dc r y s t a l sa n d p h o t o m e c h a n i c a lb e h a v i o r s[J].N a n oR e s e a rc h,2016,9(9):1-9.[9]H.A s s a e d i,F.U.A.S h a i k h,I.M.L o w,e t a l.I n f l u e n c eo fm i x i n g m e t h o d s o f n a n os i l i c ao nt h em i c r o s t r u c t u r a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f l a x f a b r i c r e i n f o r c e d g e o p o l y m e r c o m p o s i t e s[J].C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s, 2016,123:541-552.[10]Z h a oY,X i e Z,G uH,e t a l.B i o-i n s p i r e d v a r i a b l e s t r u c t u r-a l c o l o rm a t e r i a l s[J].C h e m i c a l S o c i e t y R e v i e w s,2012,41(8):3297-3317.[11]C a oX,Y i nZ,Z h a n g H.T h r e e-d i m e n s i o n a l g r a p h e n em a-t e r i a l s:P r e p a r a t i o n,s t r u c t u r e sa n da p p l i c a t i o ni ns u p e r-c a p a c i t o r s[J].E n e r g y&E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,2014,7(6):1850-1865.[12]樊雅玲,刘根起,罗四辈.粒径可控纳米二氧化硅微球的制备[J].粘接,2015,36(9):44-47.[13]陈玉娴,张定军,白雪,等.溶胶-凝胶法制备纳米二氧化硅微球的研究[J].应用化工,2018,47(6):1123-1126.[14]杜宏艳,戚宇帆,吴晨雪,等.S i O2光子晶体结构色薄膜的制备与光学性能研究[J].材料工程,2019,47(12): 111-117.[15]S töb e r W,F i n kA,B o h nE.C o n t r o l l e d g r o w t ho fm o n o-d i s pe r s e s i l i c as p h e r e s i nt h e m i c r o ns i z er a n g e[J].J.C o l l o i d I n t e r f a c eS c i.,1968,26(1):62-69.[16]陈丰.蛋白石新型的光子晶体[J].矿物学报, 2019,39(1):23-30.[17]王璐,金永中,陈建,等.单分散球状纳米二氧化硅的可控制备方法与机理分析[J].四川理工学院学报(自然科学版),2018,31(6):19-24.[18]叶思云.响应型光子晶体及其在防伪印刷中的应用[D].上海:华东师范大学,2016.[19]N a m H,S o n g K,H aD,e t a l.I n k j e t p r i n t i n g b a s e dm o n o-l a y e r e d p h o t o n i c c r y s t a l p a t t e r n i n g f o r a n t i-c o u n t e r f e i t i n g s t r u c t u r a l c o l o r s[J].S c i e n t i f i cR e p o r t s,2016,6:30885.[20]盖言成,王芬,朱建锋,等.反应条件对S i O2胶体微球结构色的影响[J].中国陶瓷,2014,50(3):70-74. [21]韩延东.S töb e r法二氧化硅粒子生长机制及可控制备的研究[D].长春:吉林大学,2018.[22]S a j j a d,U l l a h,E l i a s.E n h a n c e d p h o t o c a t a l y t i c p r o p e r t i e so f c o r e@s h e l lS i O2@T i O2n a n o p a r t i c l e s[J].A p p l i e dC a t a l y s i sBE n v i r o n m e n t a l,2015,179:333-343.[23]T i a n x i uQ i n,S h u x i aZ h a n g,P e iC h e n.F a c i l e p r e p a r a t i o n o fT i O2n a n o c r y s t a l si n s e r t e di n m o n o d i s p e r s e d m e s o-p o r o u s S i O2n a n o s p h e r e s f o r e n h a n c e d p h o t o c a t a l y t i c a c-t i v i t y[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l s S c i e n c e:M a t e r i a l s i nE l e c-t r o n i c s,2016,27,13161-13170.[24]Z h o u J,R e nF,Z h a n g S,e t a l.S i O2-A g-S i O2-T i O2m u l t i-s h e l l s t r u c t u r e s:P l a s m o ne n h a n c e d p h o t o c a t a l y s t s w i t h w i d e-s p e c t r a l-r e s p o n s e[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sC h e m i s-t r y A,2013,42(1):13128.[25]王芬,杨长安,苗建民,等.钧瓷釉与乳光㊁窑变及结构色[J].中国陶瓷,2015,51(5):1-8,13.[26]W a t e r h o u s eG IN,W a t e r l a n dM R.O p a l a n d i n v e r s e o p a l p h o t o n i cc r y s t a l s:F a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n[J]. P o l y h e d r o n,2007,26(2):356-368.[27]闫刚印.不同膜厚对S i O2光子晶体形貌及光学性能的影响[J].人工晶体学报,2019,48(7):1281-1286.【责任编辑:蒋亚儒】㊃521㊃。

二氧化硅微纳米粒子的制备与应用研究

二氧化硅微纳米粒子的制备与应用研究一、前言随着现代科技的发展，微纳米技术的应用越来越广泛，特别是在医学、化工、材料科学等领域。

本文将介绍二氧化硅微纳米粒子的制备方法以及在不同领域的应用研究。

二、二氧化硅微纳米粒子制备方法二氧化硅微纳米粒子的制备方法主要有溶胶-凝胶法、蒸气相法、电解方法、温和制备法等。

1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备微纳米粒子的一种常用方法，其过程为先制备稀溶液，然后通过高温处理使得溶胶变为凝胶状态，从而制备微纳米颗粒。

该方法能制备出高纯度、大比表面积、粒径可控的二氧化硅微纳米颗粒，适合大量生产。

2. 蒸气相法蒸气相法是将气态前驱体在高温条件下分解成为固态颗粒，通过减压和控制反应条件可制备出大小、形状可控的二氧化硅微纳米颗粒。

该方法制备出的微纳米颗粒表面光滑度好，适用于柔性电子器件等应用场景。

3. 电解方法电解法是指电解过程中产生的氧化物沉淀，在适当的条件下制备成二氧化硅微纳米颗粒。

该方法操作简单、成本低廉，但是制备出的颗粒粒径较大、易带电，不适用于高纯度应用。

4. 温和制备法温和制备法是指在较低温度下通过控制反应过程中温度、反应物加入速率等参数制备出纳米颗粒。

该方法制备出的二氧化硅颗粒粒径分布均匀，适合生物医学应用。

三、二氧化硅微纳米粒子应用研究二氧化硅微纳米粒子的应用主要包括医学、化学、材料科学等领域。

1. 医学应用二氧化硅微纳米颗粒可以用于药物缓释、生物分子分离、医学影像等。

例如，将二氧化硅微纳米粒子作为药物载体，可以提高药物的生物利用度和对靶组织的定位能力；将其作为影像剂，可以作为钙结节、肿瘤等医学影像对比剂使用。

2. 化学应用二氧化硅微纳米颗粒可以用于催化剂、吸附剂等化学应用。

例如，将其作为催化剂，能够提高化学反应速率和转化率；将其作为吸附剂，可以对有害气体进行吸附分离。

3. 材料科学应用二氧化硅微纳米颗粒可以用于复合材料、涂料、光电器件等材料科学应用。

例如，将其作为复合材料的填料，能够提高材料的强度和硬度；将其作为涂料的光散射剂，能够减少折射率，提高涂料的遮盖性。

自组装纳米结构的制备与应用

自组装纳米结构的制备与应用随着纳米科技的发展，人们对于纳米结构的研究与应用也越来越广泛。

自组装纳米结构作为一种新型的制备技术，其制备方法简单、可控性好、经济实用等优点受到研究者的广泛关注。

本文将从自组装纳米结构的原理、制备方法以及应用展开讨论。

一、自组装纳米结构的原理自组装纳米结构是利用水平自发地分子运动在一定的条件下形成有序的纳米结构的一种制备方法，它的主要原理是靠分子间的相互作用对自身进行组装。

自组装纳米结构具有高效性、自组织性、有选择性等优点，能够形成具有灵活性、多样性的结构，因而越来越广泛的应用于生物、化工、电子等领域。

二、自组装纳米结构的制备方法以自组装纳米微球的制备为例，主要分以下几步：1. 制备模板模板是自组装纳米微球的基础，模板的大小可以影响得到的微球的粒径。

常用的模板材料有聚苯乙烯乳胶微球、介孔硅、碳纳米管等。

其中介孔硅和碳纳米管因为具有孔洞结构，可以改变通道大小来控制微球粒径。

2. 选择自组装材料自组装材料是形成自组装纳米结构的基础，其物理性质、化学组成等决定了最终形成的结构的大小、形状和组成。

自组装材料可选择聚丙烯烷、聚苯乙烯等性质较好的聚合物成分。

3. 自组装的实现将自组装材料溶解于水中，调整好浓度和pH值，与模板在一定的反应条件下混合在一起，形成自我组装的过程，等待一定时间后，形成了自组装纳米微球。

其中反应条件包括温度、时间、相对湿度等。

4. 模板去除利用酸或盐酸等化学方法，去除模板，得到自组装纳米微球。

三、自组装纳米结构的应用自组装纳米结构在许多领域得到了广泛应用。

1. 在电子领域中，自组装纳米结构可用于制备导电材料、光电材料等，具有极高的应用价值。

2. 在生物领域中，自组装纳米结构用于制备微生物传感器、生物药分子载体、药物缓释系统等。

3. 在化学领域中，自组装纳米结构可用于制备新型的催化剂、吸附剂等，提高反应效率和纯度。

4. 在石油工业、纺织业等领域，自组装纳米结构用于制备高强度、高韧性的新材料等。

纳米陶瓷实验报告

一、实验目的1. 了解纳米陶瓷的基本概念和制备方法。

2. 掌握纳米陶瓷的表征技术。

3. 分析纳米陶瓷的物理和力学性能。

二、实验原理纳米陶瓷是指晶粒尺寸在纳米尺度（1-100nm）的陶瓷材料，具有优异的力学性能、热性能和化学稳定性。

纳米陶瓷的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、机械合金化法等。

本实验采用溶胶-凝胶法制备纳米陶瓷。

三、实验材料与设备1. 实验材料：氧化铝粉末、硅溶胶、氨水、无水乙醇、丙酮、蒸馏水等。

2. 实验设备：磁力搅拌器、烘箱、真空干燥箱、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、万能试验机等。

四、实验步骤1. 溶胶制备：将氧化铝粉末、硅溶胶、氨水、无水乙醇按一定比例混合，在磁力搅拌器上搅拌1小时，得到溶胶。

2. 凝胶制备：将溶胶在室温下陈化12小时，然后放入烘箱中干燥，得到凝胶。

3. 烧结：将凝胶放入真空干燥箱中，在500℃下烧结2小时，得到纳米陶瓷样品。

4. 性能测试：采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对纳米陶瓷进行表征；采用万能试验机测试纳米陶瓷的力学性能。

五、实验结果与分析1. X射线衍射分析：X射线衍射图谱显示，纳米陶瓷样品具有明显的氧化铝晶体特征，晶粒尺寸约为20nm。

2. 扫描电子显微镜分析：扫描电子显微镜照片显示，纳米陶瓷样品具有均匀的纳米晶粒结构，晶粒尺寸约为20nm。

3. 力学性能测试：纳米陶瓷样品的断裂强度为200MPa，弯曲强度为300MPa，抗折强度为150MPa，均优于传统陶瓷材料。

六、结论1. 本实验采用溶胶-凝胶法制备了纳米陶瓷，成功制备了具有优异力学性能的纳米陶瓷样品。

2. 纳米陶瓷样品的晶粒尺寸约为20nm，具有良好的分散性和均匀性。

3. 纳米陶瓷样品的力学性能优于传统陶瓷材料，具有良好的应用前景。

七、实验讨论1. 溶胶-凝胶法制备纳米陶瓷具有操作简单、成本低、环境友好等优点。

2. 纳米陶瓷的力学性能与其晶粒尺寸、烧结温度等因素密切相关。

3. 纳米陶瓷在航空航天、汽车、电子等领域具有广泛的应用前景。

二氧化硅纳米球的制备及性能研究

二氧化硅纳米球的制备及性能研究二氧化硅纳米球是一种具有广泛应用前景的新材料，具有很好的机械性能、化学性能和热稳定性。

它可以用于制备高效催化剂、高分子复合材料、更先进的光学、电学器件、纳米传感器、医药、环境保护等领域。

因此，二氧化硅纳米球的研究具有重要的科学价值和应用前景。

一、制备方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备二氧化硅纳米球的一种常用方法，通常包括三个步骤：溶胶的制备、凝胶的制备和热处理。

其中，溶胶的制备是将硅酸乙酯或硅酸正丁酯等有机硅溶液加入乙醇和水混合溶液中，形成胶体，随后加入引发剂，使胶体逐渐凝胶。

凝胶制备后，通过热处理，将有机物去除，形成无机物，最终得到纳米硅球。

2. 水热法水热法也是制备二氧化硅纳米球的一种常用方法。

它的制备流程如下：首先，在强碱条件下加入硅酸钠或硼酸钠等硅源，反应一定时间后，将反应体系置于高温高压的条件下，使反应体系处于水热自发反应的状态。

反应完成后，将产生的固体物质进行洗涤、干燥和处理，即可得到纳米硅球。

二、性能研究1. 结构特征二氧化硅纳米球的结构特征对其性能和应用具有重要影响。

通过透射电镜、扫描电镜和X射线衍射等实验手段，可以对其形貌和晶体结构进行表征。

实验结果表明，制备好的二氧化硅纳米球形貌为球状或半球状，平均粒径在10-50 nm之间；晶体结构为立方相（cubic phase）和六方相（hexagonal phase）。

2. 表面性质二氧化硅纳米球的表面性质对其吸附能力和催化性能具有重要影响。

通过测量比表面积和孔隙度等参数，可以对其表面性质进行表征。

实验结果表明，制备好的二氧化硅纳米球具有很高的比表面积，达到了300 m2/g左右；孔隙度也较高，主要分布在10-50 nm这一范围内。

3. 催化性能二氧化硅纳米球作为一种具有广泛应用的新材料，其催化性能是研究的重点之一。

通过测量二氧化硅纳米球在化学反应中的催化效果，可以对其催化性能进行评价。

实验结果表明，二氧化硅纳米球在催化乙醇脱水、异丙醇脱氢和酯交换等反应中均表现出优异的催化性能，说明其在催化领域具有很好的应用前景。

静电自组装法制备SiO2光学增透膜

静电自组装法制备SiO2光学增透膜何方方;许丕池;卢忠远;滕元成;廖其龙【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》【年(卷),期】2005(037)003【摘要】为了进一步提高低折射率光学器件的可见光透过率,用静电自组装(ESAM)法在玻璃基片(折射率1.45)表面组装了多孔SiO2增透膜.以NH3·H2O催化和HCl 与NH3·H2O分步催化分别制备了胶粒带负电荷的SiO2溶胶.用带正电荷的聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液与SiO2溶胶组装了PDDA/SiO2复合薄膜.然后进行热处理,制备了多孔SiO2薄膜.结果显示,经520 ℃热处理后,两种薄膜可见光峰值透过率增加,峰值波长由560 nm向短波移到520 nm,耐机械擦伤强度增大.NH3·H2O催化制备的薄膜透过率相对较高,峰值由98.2%达到99.2%,但耐刮伤能力相对较差.【总页数】4页(P90-93)【作者】何方方;许丕池;卢忠远;滕元成;廖其龙【作者单位】西南科技大学,四川省先进建筑材料重点实验室,四川,绵阳,621002;西南科技大学,四川省先进建筑材料重点实验室,四川,绵阳,621002;西南科技大学,四川省先进建筑材料重点实验室,四川,绵阳,621002;西南科技大学,四川省先进建筑材料重点实验室,四川,绵阳,621002;西南科技大学,四川省先进建筑材料重点实验室,四川,绵阳,621002【正文语种】中文【中图分类】TB443【相关文献】1.酸碱催化法制备双层及复合SiO2增透膜及其光学性能 [J], 张慧;范多旺;王成龙;苟树翻2.催化条件对SiO2静电自组装薄膜光学性质的影响 [J], 何方方;许丕池;余海湖;廖其龙;周元林;夏安3.热处理对静电自组装SiO2光学薄膜的影响 [J], 许丕池;卢忠远;何方方;王兵4.疏水型SiO2光学增透膜的制备 [J], 马建华;吴广明;程银兵;孙骐;王俊玲;沈军;王珏5.SiO_2静电自组装增透膜光学性质的研究 [J], 许丕池;李小甫;余海湖;姜德生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

scCO2体系中SiO2纳米颗粒自组装行为的分子模拟

本科毕业设计（论文）题目：scCO2体系中SiO2纳米颗粒自组装行为的分子模拟学生姓名：学号：专业班级：指导教师：年月日scCO2体系中SiO2纳米颗粒自组装行为的分子模拟摘要在非常规油藏的开采中，超临界CO2（scCO2）压裂正在发挥越来越重要的作用。

然而，scCO2压裂液承载支撑剂的微观行为和机制尚不清楚。

我们进行分子动力学模拟来研究二氧化硅纳米颗粒被超临界CO2中Na(diHCF4)表面活性剂自组装反胶束（RM)包覆的行为。

通过观察自组装微观过程，可以看出纳米粒子在经历与启动配置无关的三个阶段可以迅速地被包覆在自组装单层（SAM）中。

我们对溶剂结构的分析显示了SAM有规则的布局，它阻碍了大量的CO2分子渗透到二氧化硅表面，从而导致纳米颗粒在scCO2溶剂中的弱溶剂化。

进一步的机理研究表明，在二氧化碳和表面活性剂之间的强Lewis酸碱相互作用导致了表面活性剂结构的变化。

由于羰基和部分氟化基团的存在，di-HCF4表现出优异的亲二氧化碳性和包覆支撑剂能力。

这项研究将有助于新的亲CO2表面活性剂的合成，促进在非常规油藏中的scCO2压裂技术发展。

关键词：scCO2；自组装；二氧化硅纳米颗粒；分子动力学模拟Molecular dynamics studies of self-assembled reverse micelles entrapping silica nanoparticle forsupercritical CO2 fracturingAbstractSupercritical CO2 (scCO2) fracturing is playing an increasingly important role in the exploitation of unconventional reservoir. However, the micro-behavior and mechanism of scCO2 fracturing fluid carrying proppant is still not clear. We performed molecular dynamics(MD) simulations to study the behavior of the spontaneous entrapment of silica nanoparticle inside a self-assembled reverse micelle (RM) of Na(diHCF4) surfactants in supercritical CO2. By observing theself-assembled microprocess, it can be seen that the nanoparticle can be rapidly encapsulated by self-assembled monolayer (SAM) experiencing three stages irrespective with the starting configurations. The analysis of solvation structure shows an organized arrangement of SAM which precludes the large permeation of CO2 molecules onto silica surface and thereby leads to weak solvation of nanoparticle in scCO2 solvent. The further mechanism investigation indicates that the strong Lewis acid-Lewis base interactions between CO2 and surfactants lead to the change of surfactant conformations. The di-HCF4 molecule exhibits excellent CO2-philicity and ability of entrapping proppant due to the existence of carbonyl and partially fluorinated groups. This study will be helpful for the synthesizing of new CO2-philic surfactants and promote the development of scCO2 fracturing technology in unconventional reservoir.Keywords：scCO2;self-assembled;silica nanoparticle;MD目录第一章引言 (1)1.1 论文研究目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状及分析 (1)1.3 论文主要研究内容 (2)第二章分子动力学基础 (3)2.1 分子动力学基本原理及步骤 (3)2.2 本文模拟软件及相关模块简介 (3)2.2.1 模拟软件MS介绍 (4)2.2.2 Amorphous Cell模块 (4)2.2.3 Discover模块 (4)2.2.4 Forcite模块 (4)2.3 分子动力学模拟的系综及边界条件 (4)2.3.1 分子动力学模拟的系综 (4)2.3.2 边界条件 (5)2.4 力场 (6)2.5 控温方法 (6)第三章 SiO2纳米颗粒自组装微观过程及结构研究 (8)3.1模拟细节 (8)3.2 SiO2纳米颗粒自组装微观过程 (10)3.3 自组装反胶束微观结构 (12)3.4 本章小结 (14)第四章反胶束携带纳米粒子的微观机制 (15)4.1 SAM与纳米颗粒的相互作用 (15)4.2 scCO2中的纳米粒子的溶剂化结构 (16)4.3 scCO2中的Na(di-HCF4)溶剂化行为 (18)4.4 本章小结 (23)第五章总结 (24)致谢 (25)参考文献 (26)第一章引言1.1 论文研究目的及意义超临界二氧化碳（scCO2）是一种重要的超临界流体。