第七章纳米讲义结构体系
纳米结构组装体系的制备和应用
（ 华南农 业 大学理 学 院 ， 东 广州 ５０ ４ ； 广 １６ ２
＊南 京大学 物理 系 固体微结 构 国家重 点实 验室 ， 苏 南 京 ， １０ ３ 江 ２ ０９ ）
摘要 纳 米 结 构 的 自组 装 体 系 的 出 现 ， 志 着 纳 米 材 料 科 学 研 究 进 入 了 一 个 新 的 阶 段 。 将 纳 米 结 构 单 元 组 装 成 二 维 标
（ Ｄ 或 三维 （Ｄ 的 纳 米 颗 粒 的 有 序 阵列 ， 纳 米 器 件 的 构 筑 具 有 重 要 的 意 义 。利 用 自组 装 技 术 ， 成 具 有 有 序 结 构 ２） ３） 对 合
的 纳 米 颗 粒 阵 列 结构 或 复合 结构 是 科 学 家们 研 究 的热 点 。本 文 介 绍 了 自组 装 的 方 法 ， 述 了 自组 装 技 术 在 纳 米 技 术 综
ｏ ｏ ｄＳａ ｉ ｏｔ ｃ ｒ ， ｈｓ ｓＤ ｐｒ ｅｔＮ ｎｉ ｎ ｅ ｉ ， ａｇｕＮ ｎｉ １０ ３ ｆ ｌ ｔ ｅＭ ｃ ｓ ｕｔ ｅ Ｐｙｉ ｅａ ｍ ｎ ， ａｊ ｇＵ ｉ ｒｔ Ｊ ｎｓ ａｊ ｇ２０ ９ ） Ｓｉ ｔ ｒ ｒ ｕｓ ｃ ｔ ｎ ｖｓ ｙ ｉ ｎ
ａ ｈ ｅｔｒ ， ｅｙ ｍ ｒ ｎ ｔ ｃｎ ｏ ｔ ｉ ， ａｅａｄｔ ｉｒ ｕａ ａ ａｇｍ ｎ ｉ ｏｄｒ ｏ ２ ） ａｄｔ ｅ — ｒ ｉｃ ｅ ｉｉ ｖｒ ｉ ｐ ｔ ｔｏ ｏｔ ｌｈ ｓ ｅｓ ｐ ｎ ｅ ｇｌ ｒ ｎ ｅ ｅｔｎ ｒｅ ｄｔ 一（ Ｄ ，ｎ ｒｅ ｃ ｔ ｕ ｓ ｔｓ ｏ ａ ｒ ｅ ｚ ｈ ｈｒ ｅ ｒ ｒ ｅ ｗ ｈ ｄｍ ｎｉ ａ ３ ） ｒ ｙ ． ｈ ａｅ ， ｅｃａａｔ ｉ ｉ ｆｓｌ—ａｓｍ ｌ ｔ ｈｏ ｇ ｅ ｎｒ ｕｅ ． ｈ ｒ ａ ｔｎ ｉｅｓ ｎｌ Ｄ ａ ａｓ Ｉ ｔ ｓｐｐｒ ｔ ｈｒ ｅ ｓｃ ｏ ｅ ｏ （ ｒ ｎ ｉ ｈ ｃ ｒ ｔｓ ｆ ｓｅ ｂ ｃｎｌ ｙｗ ｒ ｉ ｏ ｃｄ Ｔ ｅｐ ｐ ｒ ｉ ｙｅ ｏ ｅ ｔｄ ｅ ａｏ
第七章纳米结构体系
介孔固体组装法
（3）介孔固体/纳米颗粒复合材料性能
①光致荧光增强效应
幅度孔隙率调制 掺杂SiO2介孔固体荧光增强： 位置退火处理调制
例：掺杂Al3+－SiO2气凝胶比未掺杂SiO2气凝胶荧光增强10倍
②光吸收边和光吸收带位置的可调性
例：(i) 纳米Cr2O3/介孔Al2O3复合材料 介孔Al2O3+Cr(NO3)3水溶液中浸泡
第七章纳米结构体系
厚膜模板组装法
例：Au纳米线阵列的制备
经聚乙烯基吡啶表面 改性聚碳酸酯膜(孔径 10～30nm)
第七章纳米结构体系
厚膜模板组装法
c. 化学聚合 通过化学或电化学法使模板孔洞内的单体聚合成高聚物 的管或丝 化学法步骤：模板在单体和引发剂的混合溶液中浸泡， 加温或光引发聚合，聚合物纳米管或丝的阵列体系 电化学步骤：在模板一面涂上金属作为阳极，通电使模 板孔洞内的单体聚合形成管或丝的阵列
a. 氧化铝模板（有序孔洞阵列）
▲制备：经退火的高纯铝片(99.999%)在低温的草酸或硫酸溶液中经阳极腐蚀获得氧
化铝多孔模板 ▲孔洞形状：六角柱形
第七章纳米结构体系
b. 高分子模板
厚膜模板组装法
制备：聚碳酸酯、聚酯等高 分子膜，经核裂变碎 片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化 学腐蚀方法使痕迹变 成孔洞。
自组织长程有序 的单层阵列结构
纳米结构自组装
例二
PS-PMMA嵌段共聚物 旋转喷涂法 的二甲苯溶液(1wt%)
在NaCl晶体 上形成50nm 共聚物膜
145℃退火8h
Au颗粒镶嵌的共聚 物纳米结构膜
Au纳米粒子蒸发
膜
145℃真空 退火24h
水溶解NaCl
自组装纳米结构
静电作用驱动
静电吸附
静电吸附
利用有机分子中含有阴阳离子官能团之间的静电吸引力将具有阴、阳 离子的分子直接组装成有序多层膜。这种膜称为分子沉积膜（MD 膜）。如图显示了静电作用驱动自组装MD膜的过程。
配位键驱动
利用金属离子和有机分子中的某些官能团形成的配位键构筑超分子自组装 结构。
以Fe原子为媒介，通过不同单元之间的自组装形成不同的网状结构
http://www.lcpe.uni-sofia.bg/2D.xhtml
溶液蒸发自组装在线观察过程
自然蒸发自组装过程中的“咖啡环效应(Coffee ring effect)”
(“Coffee stain” formed by drying drops of gold NR sol. The images in the upper row show the drying drops from slow evaporation. The volume fraction decreases from left to right: (a) 1 × 10−5, (b) 5 × 10−6, (c) 3.3 × 10−6, (d) 2.5 × 10−6 and (f) 1.25 × 10−6.
金属和半导体纳米粒子自组装有序纳米结构
2. 纳米粒子自组装方法
（1）自然蒸发自组装法 （2）两相界面自组装（气液、油水界面） （3）场效应驱动的自组装 （4）层层组装（Layer by Layer）组装 （5）模板辅助自组装 （6）有机分子诱导自组装
（1）自然蒸发自组装法
When a drop of dilute colloidal nanosphere suspension spreads on a flat substrate, after evaporation of the solvent, well-ordered 2D hcp colloidal crystals will be obtained. By means of microscopy, Nagayama and co-workers observed the dynamics of self-assembled 2D colloidal crystals formed during solvent evaporation. Direct observation revealed that the ordering started when the thickness of the solvent layer became approximately equal to the diameter of the nanospheres.
高分子纳米复合材料课件.ppt
最重要的是界面组元。界面组元具有以下两个特点：首先是原
子密度相对较低，其次是邻近原子配位数有变化。因为界面在
纳米结构材料中所占的比例较高，以至于对材料性能产生较大
影响。
高分子纳米复合材料课件
五、纳米复合材料（nanocomposites）
1、纳米复合材料的分类
复合材料的复合方式可以分为四大类：
①、0-0型复合
利用宏观量子隧道效应，可以解释纳米镍粒子在低温下继续 保持超顺磁性的现象。这种纳米颗粒的宏观量子隧道效应和量子 尺寸效应，将会是未来微电子器件发展的基础，它们确定了微电 子器件进一步微型化的极限。
高分子纳米复合材料课件
三、纳米材料的制备方法
可分为物理法和化学法两大类。 1、物理方法 ①、真空冷凝法
例如，纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能均属 此列。
高分子纳米复合材料课件
4、宏观量子隧道效应 微观粒子（电子、原子）具有穿越势垒的能力称之为隧道效
应。一些宏观的物理量，如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件 中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统 的势垒而产生性能变化，称为宏观量子隧道效应。
第一节 高分子纳米复合材料概述
一、纳米材料与纳米技术
1、纳米材料 是以纳米结构为基础的材料，或者以纳米结构为基本单元构
成的复合材料。 ①、纳米结构
以具有纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造 的一种新结构体系，称为纳高分米子纳结米构复合体材料系课件。
②、纳米材料 纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范 围的物质，或者由它们作为基本单元构成的复合材料。 从微观角度分类，纳米材料大致有以下两类：
衡合金固态分解、溶胶-凝胶法、气相沉积法、快速凝固法、晶晶 化法、深度塑性变形法等。
纳米材料与技术--纳米结构单元
矢量即为手性矢量。
沿与该矢量垂直方向为轴向，将原点与矢量端点重合，即得(n,m)型碳纳米管。
〔3〕特性i) 电子特性：n, m值，即直径和手性角θ值对纳米管的性能影响很大。
碳纳米管的电特性随分子结构改变而发生明显变化〔量子限域，只能沿着轴向运动〕，没有其他任何材料在分子结构不同时具有如此不同的特性。
∣n - m∣= 3qq为整数时, (n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。
➢单臂纳米管均为金属性(n = m)➢手性和锯齿纳米管中局部为金属性的〔以上两种情况占小直径纳米管的1/3〕➢手性和锯齿纳米管中局部为半导体〔有限带隙〕：纳米管直径变大，带隙变小→大直径时均为金属性〔锯齿形碳纳米管的能隙反比于管半径的平方〕共轴的金属-半导体、半导体-金属纳米管对是稳定的⇒全碳电子元件〔微型化、高性能、低能耗〕ii) 力学特性：单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍，1/6。
其拉力强度是大多数合金的25倍→复合材料的增强剂iii〕化学等方面纳米管作为模板→纳米丝✍贮氢、电池等用途碳纳米管的应用➢碳纳米管阵列体系→场发射器件➢单壁碳纳米管的压电系数高→人工肌肉➢碳纳米管+ 电极→纳米镊子(nanotweezer)➢半导性单壁碳纳米管→化学传感器➢碳纳米管线路→器件微型化➢碳纳米管的弹性→纳米秤(飞克级的病毒)〔4〕制备目标：①连续批量生产；②结构分布均匀且可控；③本钱低，适宜商业生产；④纯度高、易分散。
关键因素：①碳源；②催化剂及载体；③制备条件。
✍催化剂→单壁纳米管✍催化剂、温度等→纳米管直径的分布➢石墨棒直流电弧放电法〔Arc Discharge)➢碳氢化合物催化热分解法，又称CVD法➢激光蒸发气相沉积法➢火焰法第五种形态固体碳〔碳纳米泡沫〕近几十年来，人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣，比方巴基球结构和纳米管结构。
1997年，澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们称之为纳米泡沫。
纳米结构组装体系
纳米结构组装体系纳米结构组装体系是指通过控制和调控纳米尺度下的物质组装方式，将纳米材料按照特定的结构和形状有序地组装在一起，形成具有特定功能和性能的纳米结构体系。
这一领域的研究不仅具有基础理论价值，还有着广泛的应用前景，可以在材料科学、生物技术和纳米器件制造等方面发挥重要作用。
纳米结构组装体系的构建涉及到一系列的技术和方法。
常用的组装方法包括自组装、模板法和光刻法等。
其中，自组装是利用分子间的相互作用力使纳米粒子按照一定的规则有序排列在一起。
模板法则是利用纳米级模板的物理或化学性质来引导纳米粒子在模板上有序组装。
而光刻法则是利用光敏性物质在光照下发生物理或化学变化，形成微细结构。
纳米材料的组装需要考虑多个因素，其中一个关键问题是纳米粒子的形貌和尺寸控制。
纳米粒子的形貌决定了其在组装过程中的排列方式，如球形纳米粒子容易形成堆积，而长棒状纳米粒子则容易沿特定方向组装。
纳米粒子的尺寸控制则可以通过化学合成或物理方法实现。
通过改变合成条件或添加合适的表面修饰剂，可以调控纳米粒子的尺寸和分散性，从而实现纳米结构的组装和控制。
在纳米结构组装体系中，表面修饰剂的选择也非常重要。
表面修饰剂可以改变纳米粒子的表面特性，包括表面电荷、亲水性和亲油性等，从而调控纳米粒子之间的相互作用力，影响组装的方式和结构。
常用的表面修饰剂有聚合物、表面活性剂和功能性分子等。
纳米结构组装体系的组装方式和组装结果对材料性能和功能有着重要的影响。
例如，通过调控纳米粒子的组装方式和密度，可以实现纳米材料的导电性、光学性能和力学性能的调控。
此外，通过选择适当的纳米材料和组装方法，还可以实现纳米结构的多样性，从而拓展纳米材料的应用领域。
纳米结构组装体系在材料科学、生物技术和纳米器件制造等领域都有着广泛的应用前景。
在材料科学领域，纳米结构组装体系可以用于构建新型的功能材料，如纳米传感器、催化剂和能量存储材料等。
在生物技术领域，纳米结构组装体系可以用于构建纳米药物载体，用于控制药物的释放和靶向传输。
纳米材料的结构与
5，化学反应动力学性质
宏观体系中均相基元反应级数是由化学计量数决定的，速率常数丌随浓。 度和时间而改变，但是，当处于分子筛选内反应物的运动受到诸如： 容器，相界，力场，溶剂等空间阻碍及影响时，反应的动力学显示出 不均相反应丌同的结果。
三，纳米结构测试技术
扫描隧道显微镜 （scanning tunneling microscopy ,STM)
纳米材料的结构与性质
作者：左有鹏，王汪洋 指导教师：黄薇
一，纳米材料的结构
纳米材料是只显微结构中的物相具有纳米级尺寸的材 料。它包含了三个层次：纳米微粒，纳米固体，纳米组装 体系。 （一），纳米微粒 （二），纳米固体 （三），纳米组装体系
1,纳米微粒
纳米微粒是指线度处于1-100nm的粒子的聚合体，它是处于该几何 尺寸的各种粒子聚合体的总称。其形态幵丌局限不球形，还有片状， 棒状，针状，星状，网状等。 纳米微粒的成分可以是金属戒者金属氧化物，非金属氧化物戒者 其他多种化合物。
AFM基本原理
AFM基本原理：在悬 臂梁上装有微反射镜。 AFM是基于原子间力的 理论。它是利用一个队力 敏感的探针探测针尖与样 品之间的相互作用来实现 表面成像的。
AFM 图像
氧化锌表面的AFM图
扫描探针显微镜的意义
SPM形象的被称为纳米科技的“眼”和“手”。 所谓“眼”，即可利用SPM技术直接观察原子，分 子以及纳米粒子的相互作用不特性。 所谓“手”，是指SPM可用于移动原子，构造纳米 结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象，提出 理论的微小实验室。
原子操纵技术（aotmic manipulat质表面的几何构造， 电子性质外，更有一些饶有趣味的应用，原子操纵技术 （aotmic manipulation)便是其一。
自组装纳米结构
一、纳米尺度自组装的体系概述
（2）纳米薄膜磁存储材料有更小的体积，更高的存储密度和更永久的 存储能力。
比如单磁畴Fe、Fe-Co合金和氮化 铁等纳米颗粒具有较高的矫顽力， 用在磁记录介质材料中不仅可以提 高音质和图像的质量，而且还具有 很好的信噪比，磁记录密度比γFe2O3高出几十倍。
一、纳米尺度自组装的体系概述
杨生春 理学院材料物理系
Tel: 82663034 Email: ysch1209@ Web: /web/ysch1209
主要内容
一．纳米尺度自组装的体系概述 二．分子自组装的有序纳米结构薄膜
1. 2. 分子自组装的基本原理 分子自组装的驱动力
S. Griessl, et al. Single Mol., 2002, 3, 25.
氢键驱动形成超分子网络
基于芳烃分子中胺基间形成的氢键自组装形成的网络状结构
氢键驱动形成超分子网络
通过对分子浓度的控制，可由构建出不同的网格结构
M. Stöhr, M. Wahl, C. H. Galka, T. Riehm, T. A. Jung and L. H. Gade, Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 7394.
4 nm magnetic particles
一、纳米尺度自组装的体系概述
4. 有序纳米结构薄膜材料在高科技领域中的作用 （1）纳米薄膜传感器具有更小的体积和更高的分辨率
Diarylethene分子修饰的金纳米粒子自组装薄膜开关
S. J. van der Molen et al. , Nano Lett. 2009, 9, 76-80.
由4 nm FePt纳米粒子形 成的自组装薄膜的磁通的 线密度可以达到 5000fc/mm,因而可以获得 更高的磁存储密度，并且 展现出良好的存取特性。
微观纳米结构体系对材料性能影响分析
微观纳米结构体系对材料性能影响分析近年来，微观纳米结构体系的研究引起了广泛关注。
微观纳米结构体系是指材料中存在的纳米级别的结构特征，包括纳米晶、纳米颗粒、纳米线、纳米膜等。
这些微观纳米结构的出现对材料的性能产生着显著影响。
本文将对微观纳米结构体系对材料性能的影响进行分析。
微观纳米结构体系的形成主要有两种途径：自下而上的合成和自上而下的制备。
自下而上的合成是通过控制材料的化学反应、物理沉淀等方法来形成纳米结构。
而自上而下的制备则是通过材料的加工、切割等方法将材料从宏观尺度改造为纳米级别的结构特征。
无论是哪种方法，微观纳米结构的形成对材料的性能具有决定性的影响。
首先，微观纳米结构体系对材料的力学性能有显著影响。
纳米晶材料由于颗粒尺寸的减小而呈现出高硬度、高强度的特点。
这是因为纳米晶材料的晶界面增多，使得位错的运动受到了很大的阻碍。
另外，纳米晶材料中的位错沿晶界移动，导致材料内部的塑性形变受到了限制，从而提高了材料的硬度和强度。
此外，纳米颗粒和纳米线材料由于其本身尺寸的微小，具有较高的比表面积和界面能量，使得它们的力学性能得以进一步提升。
因此，微观纳米结构体系可通过提高材料的硬度和强度来增强材料的力学性能。
其次，微观纳米结构体系还对材料的导电性能和热学性能产生影响。
纳米晶材料中晶界的存在给电子和热子的传输带来了阻碍，从而降低了材料的电导率和热导率。
然而，纳米颗粒和纳米线材料具有较高的比表面积，可以提高材料的电导率和热导率。
此外，纳米膜材料由于其薄度的减小，可以减小电子和热子的散射，从而提高了材料的导电性能和热学性能。
因此，微观纳米结构体系可通过调控材料的导电性能和热学性能来满足不同工程应用的需求。
此外，微观纳米结构体系还对材料的化学性能和光学性能产生影响。
纳米结构的出现使材料的比表面积增大，从而增加了材料与周围环境相互作用的表面积。
这使得纳米材料在催化、吸附等化学反应中具有更高的活性。
同时，纳米结构还可以通过改变材料的能带结构和光学吸收特性来调控材料的光学性能。
部编版四年级语文下册第7课《纳米技术就在我们身边》优秀课件【最新】
✓ 纳米技术应用在陶瓷上，可使陶瓷具 有超塑性，大大增强了陶瓷的韧性， 让陶瓷坚固无比。
✓ 纳米技术和基因技术可以组合起来运 用。
课堂小结 全班大声朗读第3、4自然段，读出自己
的感悟。
纳米技术不但改变了我们的生活，而且 应用前景非常广阔。它就在我们身边，可以 让我们更加健康！这就是神奇的纳米技术！
7 纳米技术就在我们身边
纳米技术：研究结构尺寸在1纳米至100 纳米范围内材料的性质和应用的一种技术， 主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米 材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加 工学、纳米力学等。
当前纳米技术的研究和应用主要在材料 和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、 航天和航空、环境和能源、生物技术和农产 品等方面。
我会读
pīnɡ pānɡ yōnɡ
jūn
纳米 乒乓 拥有 冰箱 杀菌
chòu shū
tàn
除臭 蔬菜 碳纳米管 钢铁
ái zhènɡ
lǜ
隐形 健康 癌症 细胞 死亡率
jí
zào
疾病 预防 病灶 需要
拥
率
乒 菌臭
碳 癌
乓
蔬
疾
症灶
我会写
纳拥箱臭蔬碳钢隐 健康胞疾防灶需
仔细观察，根据结构将上面的生字归类。
科技术语： 纳米技术 碳纳米管 碳纳米管天梯 吸波材料 探测雷达 癌细胞 病灶 缓释技术 死亡率
➢ 反复读、自由读、指名读、全班齐读。
整体感知 自由朗读课文，边读边思考：这篇课文主
要讲了关于纳米的哪些知识？同学间互相 交流。
课文简单而准确地介绍了纳米、纳米技术 等科学知识，展示了纳米技术的美好前景。
第章纳米结构单元概述
第十七页，编辑于星期五：二十点 二十五分。
人造原子与真正原子的不同之处：
1）人造原子含有一定数量的真正原子； 2）形状和对称性多种多样(形貌)，真正原子可用 球形或立方形描述。
3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多(多电 子交互作用)。随着原子数目增加，电子轨道间 距减小，强库仑排斥、系统限域效应和泡利不相
环单键0.14 nm.
B、C60的л键垂直于球面，含有10％的s成分，90％的p
0.1 0.9
第二十五页，编辑于星期五：二十点 二十五分。
C、C60中两个σ键间的夹角为106o，σ键和л键的夹角 为101.64o。
苯环 120o
D、由于C60的共轭π键是非平面的，环电流较小，芳 香性也较差，但显示不饱和双键的性质，易于发生 加成、氧化等反应，现已合成了大量的C60衍生 物。
即团簇如何由原子分子逐步发展而成，以及团簇 的结构和性质变化规律。Байду номын сангаас
其中包括团簇发展成宏观固体的临界尺寸与过程 变化规律。
第七页，编辑于星期五：二十点 二十五分。
团簇往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。
当团簇尺寸小时，每增加一个原子，团簇的结构发生变
化，称为重构。
而当团簇大小达到一定尺寸时，变成大块固体的结 构，此时除了表面原子存在驰豫(不同电子态引起的原 子平衡位置不同)外，增加原子不再发生重构，其性质 也不会发生显著改变，对应的团簇尺寸就是临界尺寸。
密堆垛组成了第三代碳晶体。
第二十二页，编辑于星期五：二十点 二十五分。
• 克罗托、斯莫利和科尔用硬纸板剪成许多五边形和六边 形，终于用12个五边形、20个六边形组成了一个中空的 32面体，五边形互不邻接，而是与五个六边形相接， 每个六边形又与3个六边形和3个五边形间隔相接，共有 60个顶角，碳原子位于顶角上，是一个完美对称的分子 （图）。
生物中的纳米结构探究
生物中的纳米结构探究生物是一个极其复杂的系统，其中包括了许多的纳米结构。
这些结构可以被定义为具有直径小于100纳米的微观结构。
虽然这些结构非常小，但它们在生物体内发挥着重要的作用。
因此，研究生物中的纳米结构已经成为了生物学领域中的一个重要课题。
一、纳米结构的分类生物中的纳米结构可以被分类为两类：一类是有序纳米结构，另一类是无序纳米结构。
有序纳米结构通常由生物聚合物或矿物质自组装而成，例如蛋白质中的α螺旋、β折叠和螺旋-褶板结构等，以及硅藻细胞壳中的有序孔隙结构等。
无序纳米结构则通常是由生物分子的随机分布形成的，例如细胞膜中的脂质双层结构、核糖体中的核酸分子结构等。
二、纳米结构的功能生物中的纳米结构具有多种重要的功能，例如：1. 传递信息生物体内的一些纳米结构可以用来传递信息，如细胞膜上的受体和信使分子。
这些结构通过相互作用产生信号传递。
受体结合信使分子时，可以引发一系列反应，进而传递信息。
2. 分子识别许多纳米结构可以用来识别其他分子，如抗体可以识别外来物质，红细胞受体可以识别氧气等。
这些结构也可以用来检测疾病和研究生物化学反应。
3. 生物催化一些纳米结构可以用来催化生物化学反应，如酶。
酶通过与底物相互作用，加速生物化学反应，把化学反应速率提高了10^7-10^10倍，并能在相对低的温度和压力下运行，因此对生命体系至关重要。
4. 结构稳定生物中的一些纳米结构可以用来保持结构稳定性，例如蛋白质中的交叉作用和细胞膜中的脂质双层。
这些结构可以保持分子的可控性和活性，使细胞可以在复杂的环境中生存。
三、研究纳米结构的方法为了研究生物中的纳米结构，科学家们采用了许多不同的方法。
其中一些最常用的方法包括：1. X射线衍射和散射X射线衍射和散射是研究生物中纳米结构的重要工具。
这些技术能够通过衍射或散射光线得到结构的信息，进而了解纳米结构的性质和功能。
2. 电镜电镜是一种常用的研究纳米结构的工具。
它能够通过高分辨率成像来揭示生物学样品的微观结构，甚至对于非晶态的样品也有很高的分辨率。
纳米机器人结构体系与工作原理课件
利用磁场、声波等方式实现纳米机器人的远程控制和通信 ，同时发展新型的纳米传感器和执行器，实现对纳米机器 人的精确控制。
05 纳米机器人的未 来展望
未来发展方向
智能化
利用人工智能和机器学习技术， 使纳米机器人具备自主导航、识 别和决策能力，提高其在生物体
内的操作效率和安全性。
多功能化
纳米机器人结构体系与工作 原理课件
目 录
• 纳米机器人的定义与特性 • 纳米机器人的结构体系 • 纳米机器人的工作原理 • 纳米机器人的技术挑战与解决方案 • 纳米机器人的未来展望 • 纳米机器人的实际应用案例
01 纳米机器人的定 义与特性
定义与特性
纳米机器人是一种在纳米尺度上 工作的机器，通常是指尺寸在1-
电场控制
利用电场对电活性纳米机器人进行控 制。
化学控制
利用化学反应对化学驱动的纳米机器 人进行控制。
光控制
利用光能对光驱动的纳米机器人进行 控制。
04 纳米机器人的技 术挑战与解决方 案
技术挑战
尺度限制
纳米机器人需要在纳米级别进行精确操作，这涉及到极小的尺寸和极 高的精度，使得设计和制造变得极为困难。
在环境监测领域，纳米机器人可以用于检测空气和水质污染、土壤重金属含量等方 面。
纳米机器人的发展历程
20世纪80年代，随着纳米技术的兴 起，人们开始探索纳米机器人的可能 性。
进入21世纪，随着材料科学和制造技 术的进步，纳米机器人的研究和应用 得到了更广泛的发展。
20世纪90年代，科学家们开始研究 如何制造出能够在微观环境中工作的 机器。
土壤监测
纳米机器人可以用于监测土壤中的重 金属和农药残留，为土地治理提供依
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700℃高 温炉中
乙烯、丙烯气体在模板孔洞内发 生热解，在孔洞壁上形成碳膜
②无电镀法先合 成Au的管和丝
模板溶去
Au丝和管
气相沉积法 涂TiS2
Au/TiS2复合丝和管
厚膜模板组装法
（4）厚膜模板组装的优点
a. 可以组装各种材料，例如金属、合金、半导体、导电高 分子、氧化物、碳及其他材料的纳米结构体系
在氧气中热解温度 光吸收带蓝移
在氢气中还原 光吸收带红移
介孔固体组装法
例（ii) 纳米Ag/SiO2介孔复合体系 当纳米Ag(3nm)复合量由0到5wt%变化时，带边的位置可从近紫外至整 个可见光范围移动，且随着复合量的增加，红移的幅度也增加。
通过热处理和介孔中所含异质纳米颗粒的量的 控制实现对光吸收边和吸收带位置的调制
扫描探针显微镜技术
“Dip-Pen” Nanolithography
介孔固体组装法
② 掺杂介孔SiO2的制备
SiO2前驱体＋Ce(SO4)2 （Si:Ce=100:1)
水解、胶凝
+AlCl3 (Al:Ce=10:1)
Ce4+掺杂介孔SiO2固 体
Al3+、Ce4+掺杂介孔SiO2
荧光增强
SiO2前驱体＋Ce(NO3)3
水解、胶凝
Ce3+掺杂介孔SiO2固 体
介孔固体组装法
介孔固体组装法
③环境敏感特性 a. 透明与不透明可逆转变的光开关效应
纳米Ag/SiO2介孔复合体
相对湿度>60％
透明变为不透明，颜色由浅黄变成黑色(原因Ag→Ag2O)
500K退火处理
透明浅黄
b. 吸附和氧化过程的环境敏感性
湿度↑、温度↑→氧化加快
c. 环境诱导的界面耦合效应
室温、湿度>80%，颗粒/孔洞间有硅酸银相形成，透明向不透明转变， 573～973K分解，恢复原状
例： ①导电高分子聚-3-甲基噻吩、聚吡咯丝（比块体电导高一个数量 级）丝越细，电导越大，可用作微电子元件
厚膜模板组装法
例②
氧化铝模板在丙 水溶液聚合 烯腈饱和水溶液 中浸泡
聚丙烯腈纳 750℃空气 纳米碳管阵 米管阵列 1h、 N2 1h 列体系
溶Al2O3
复合丝
组装Au丝
组装丙烯腈管
碳管
聚丙烯腈管 碳管 Au丝
厚膜模板组装法
d. 溶胶-凝胶法
• 步骤：将氧化铝模板浸泡在溶胶中使溶胶沉积在模板孔洞的壁上， 热处理成纳米管（浸泡时间短）或纳米丝（浸泡时间长）
• 用于制备无机半导体：如TiO2、ZnO、WO3等
e. 化学气相沉积法（CVD法）
一般化学气相沉积法的沉积速度太快，将孔洞口堵塞。
例：①Al2O3模板
厚膜模板组装法
例：Au纳米线阵列的制备
经聚乙烯基吡啶表面 改性聚碳酸酯膜(孔径 10～30nm)
厚膜模板组装法
c. 化学聚合 通过化学或电化学法使模板孔洞内的单体聚合成高聚物 的管或丝 化学法步骤：模板在单体和引发剂的混合溶液中浸泡， 加温或光引发聚合，聚合物纳米管或丝的阵列体系 电化学步骤：在模板一面涂上金属作为阳极，通电使模 板孔洞内的单体聚合形成管或丝的阵列
介孔固体组装法
（1）介孔固体/纳米颗粒复合材料的制备
①纳米ZnO/介孔SiO2固体组装体系
介孔SiO2固体制备 溶胶－凝胶法＋超临界干燥法， 孔隙率93％，孔径2～30nm
ZnSO4溶液的浸泡
稀氨水沉淀Zn(OH)2
473-873K退火 纳米ZnO/介孔SiO2复合体
荧光增强效应，紫外－可见光范 围荧光测量表明在约500nm可见 光范围内出现一个强的绿光带
（3）介孔固体/纳米颗粒复合材料性能
①光致荧光增强效应
幅度孔隙率调制 掺杂SiO2介孔固体荧光增强： 位置退火处理调制
例：掺杂Al3+－SiO2气凝胶比未掺杂SiO2气凝胶荧光增强10倍
②光吸收边和光吸收带位置的可调性
例：(i) 纳米Cr2O3/介孔Al2O3复合材料 介孔Al2O3+Cr(NO3)3水溶液中浸泡
b. 可合成分散性好的纳米丝和纳米管以及它们的复合体系 c. 可以获得其他手段，例如平板印刷术等难于得到的直径
极小的纳米管和丝(3nm)，还可以改变模板柱形孔径的 大小来调节纳米丝和管的直径。 d. 可制备纳米结构阵列体系 e. 可以根据模板内被组装物质的成分以及纳米管、丝的纵 横比的改变对纳米结构体系性能进行调节
b. 无电沉积（无电镀法）
• 二要素：敏化剂：Sn2+，还原剂 • 步骤：将模板先在敏化剂溶液中浸泡，孔壁上的胺(H2N)、
羰基(-C=O)和OH基与敏化剂复合，再放Ag+离子溶液中， 在孔壁上形成不连续分布的纳米Ag粒子，再放入含有还原 剂的金属无电镀液中，形成金属管。 • 缺点：只能调节纳米管内径尺寸，不能调节长度
厚膜模板组装法
a. 电化学沉积法
• 用途：组装金属和导电高分子的丝和管 • 步骤：先在模板的一面用溅射或蒸发法涂上一层金属薄
膜作为电镀的阴极，选择被组装金属的盐溶液作为电解 液，在一定电解条件下组装。 • Au纳米管：先在孔壁上形成分子锚(氢硅烷与-OH形成)， 使金属优先在管壁上形成膜。
厚膜模板组装法
c. 金属模板
厚膜模板组装法
(b)
(c)
(a)
(f)
(e)
(d)
厚膜模板组装法
（2）厚模板组装技术要点
①化学前驱液应与孔壁具有浸润性 ②应控制在孔洞内沉积速度的快慢，沉积速度过快，会造
成孔洞内的堵塞，致使组装失败 ③控制反应条件，避免被组装介质与模板发生化学反应
（3）厚模板组装方法
a. 电化学沉积法 b. 无电沉积（无电镀法） c. 化学聚合 d. 溶胶-凝胶法 e. 化学气相沉积法（CVD法）
第七章纳米结构体 系
精品
纳米组装体系的制备方法
• 纳米组装体系：利用物理和化学的方法人工地将 纳米结构单元在一维、二维和三维空间组装排列 成具有纳米结构和特定功能的体系
厚膜模板组装法 • 制备方法：介孔固体组装法
纳米多层膜制备法 扫描探针显微镜技术
厚膜模板组装法
（1）模板的制备和种类
a. 氧化铝模板（有序孔洞阵列）
▲制备：经退火的高纯铝片(99.999%)在低温的草酸或硫酸溶液中经阳极腐蚀获得氧 化铝多孔模板
▲孔洞形状：六角柱形
b. 高分子模板
厚膜模板组装法
制备：聚碳酸酯、聚酯等高 分子膜，经核裂变碎 片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化 学腐蚀方法使痕迹变 成孔洞。
孔洞：圆柱形、排列无序且有 孔通道交叉现象