纳米粒子与纳米材料（共12篇）
纳米粒子与纳米材料 篇1
一、前言
纳米材料是自身具有特殊的性能与结构, 其被广泛的应用在生物医药、光学、电子学、物理学、化学等众多领域。近年来, 一维纳米材料, 包括纳米线、纳米管、纳米棒等特殊的性质, 以及其在纳米器件方面的应用, 致使其受到了广泛的关注。目前, 制备纳米棒的方法有许多中, 主要包括水热法、CAD法、SLS法、模板法等, 其中水热法具有纯度可控、组成、操作简单的优点, 致使其比其他制备纳米棒的应用更广泛。稀土化合物在医药、催化、磁性材料、光学材料等方面的应用, 而纳米稀土化合物纳米粒子的宏观两字隧道效应、截面效应、尺寸效应等, 致使其在化学活性、催化、热、词等方面具有更加优异的性能。
二、水热合成反应合成稀土纳米粒子和纳米棒的原理
水热原来是用于地质学中描述地壳中水在压力和温度联合作用喜爱的反应过程, 随后越来越多的化学反应也广泛的应用水热这一词汇。水热法也叫热液法, 属于化学法的范围, 其指的是以水为溶剂, 在密封的压力容器中, 在高压、高温的条件下进行化学反应。根据会热反应类型的不同, 可以将水热反应分为:水热结晶、水热水解、水热合成、水热沉淀、水热还原、水热氧化等。水热法的原理为先溶解、再结晶的原理:即先在水热介质中将营养料溶解, 保证营养料以分子团、离子的形式进入溶液中, 然后通过一定温度的反应釜, 把这些离子团、分子团、离子等运输到低温区, 保证其与籽晶的生长区进行结晶, 例如实验中的稀土氟化物纳米粒子与稀土氢氧化镨纳米棒都是用这种方法制备的, 由于两者在经理水热处理过程的溶解和重结晶的形式存在一定的差异, 致使其晶体的结构也存在一定的差异, 生成不同微观形状的纳米棒和纳米粒子。
三、实验
1.制备稀土氢氧化镨纳米棒。精确称量氧化镨3.5g, 将其溶解在体积分数为10%的硝酸溶液中, 制备澄清透明溶液, 然后用10%的氢氧化钾溶液将其PH值调节至11.0-12.0之间, 制备得到胶状沉淀物, 把胶状沉淀物添加到聚四氟乙烯内胆的水热反应釜之中, 在160℃的密封状态下反应15个小时, 经过水热处理后经过自然冷却得到沉淀物, 然后将沉淀物用去离子水洗涤, 然后再用乙醇洗涤, 当清洗干净后在60℃下进行脱水干燥, 得到的产物就是稀土氢氧化镨纳米棒。
2.制备稀土氟化物纳米粒子。精确称量氧化镧3.5g, 将其溶解在体积分数为10%的硝酸溶液中, 制备澄清透明溶液, 然后加入氟化钠声场胶状沉淀物, 再用质量分数为10%的氢氧化钾溶液将溶液PH值调节至3.0-4.0之间, 将得到的胶状混合物添加到聚四氟乙烯内胆的热水反应釜之中, 在100℃的密封状态下反应15个小时, 经过水热处理后经过自然冷却得到沉淀物, 将沉淀物用去离子水洗涤, 再用乙醇洗涤, 当洗涤干净后在60℃下进行脱水干燥, 得到的产物就是稀土氟化物纳米粒子。
3.表征。利用Thermo ARL SCINTAG TRA X射线衍射仪就进行X射线衍射分析, 采用Cu Kα辐射, λ=0.15406nm。管流45m A, 管压为50k V, 采用步进扫描, 步长为0.02°, 步扫时间为2秒, 然后利用透射电镜和发射扫描电镜进行观察, 然后再用Thermo Noran VANTAGESI能谱仪对产物进行扫描, 然后进行结果分析。
四、结果与分析
1.氢氧化镨纳米棒的表征。经过用发射扫描电镜和透射电镜的观察, 发现水热合成的氢氧化镨纳米棒长度差异较大, 表现为25nm-260nm, 平均长度为125nm, 纳米棒直径相对均匀, 平均直径为23nm。根据水热合成的氢氧化镨纳米棒的TG-DTA分析得知:其在350℃具有吸热峰, 并且氢氧化镨纳米棒在310℃-350℃范围内具有明显的失重, 失重率R=11.3%, 经过对吸热峰和失重率的分析得知, 氢氧化镨纳米棒并没有产生其他的吸放热和其他失重状况, 证明水热合成的氢氧化镨纳米棒具有很高的纯度;根据水热合成氢氧化镨纳米棒的XRD衍射峰分析得知:水热合成的氢氧化镨为六方晶体, 晶胞参数为c=0.3546nm, a=0.6154nm, 经过与标准卡片的比较, 其中并没有出现杂峰, 仅有氢氧化镨的衍射峰, 表明氢氧化镨纳米棒具有较高的纯度。
2.稀土氟化物纳米粒子的表征。经过用发射扫描电镜和透射电镜的观察, 发现水热合成的稀土氟化物纳米粒子为类球形或者球形, 在水热反应温度为100℃, n (Ln) :n (F) =1:3, PH=5.0时, Sm F3、Pr F3纳米粒子的平均直径分别为34.3nm、34.5nm。将稀土氟化物纳米驴子的XRD衍射峰和相应的标准卡进行比较, 并没有出现其他的杂峰, 这就表明水热合成的稀土氟化物纳米粒子的纯度很高。此外, 经过观察发水热合成的稀土氟化物为六方晶型, 并且与相应的衍射图片相对一致, 表明稀土氟化物纳米粒子的结晶度很高。
结束语
根据稀土氟化物纳米粒子的表征得知:水热合成的稀土氟化物纳米粒子的平均粒径为34.4nm, 并且其中大部分纳米粒子为类球形或者球形, 并且水热合成的稀土氟化物纳米粒子具有很高的纯度与结晶度;根据稀土氢氧化镨纳米棒的表征得知:平均长度为125nm, 平均直径为23nm, 水热合成的氢氧化镨纳米棒为六方晶型, 并且氢氧化镨纳米棒具有很高的纯度。
参考文献
[1]韩小斐, 赵杰, 陈卫祥.稀土化合物纳米粒子和纳米棒的水热合成和表征[J].浙江大学学报 (工学版) , 2007 (2) ;333-336.
[2]宋旭春, 杨娥, 郑遗凡, 王芸.水热合成Dy (OH) 3纳米棒和纳米带[A].稀有金属材料与工程, 2007 (3) ;670-673.
纳米粒子与纳米材料 篇2
上转换发光纳米材料中发光效率最高的是稀土上转换发光纳米粒子，其中的佼佼者是离子对Yb3 + /Er3 + 或Yb3 + /Tm3 + 掺杂的NaYF4纳米粒子。据此，本文选用了两种类型的稀土上转换发光纳米粒子进行研究。第一种是根据文献报道合成的巯基丁二酸修饰的亲水性上转换NaYF4: Yb3 +，Er3 + 纳米粒子(HMNPs)。第二种是由本课题组合成的氨基修饰的亲水性上转换NaYF4:Yb3 +，Er3 + 纳米粒子(HINPs)。这两种粒子的物理化学性质相近，但表面电荷极性不同。HMNPs 因表面包覆巯基而带负电，HINPs 因表面接氨基而带正电。HMNPs 是文献报道中比较常用的一种稀土上转换纳米粒子因此很具代表性，而带有正电的HINPs 可以从另一个角度反映上转换发光纳米粒子与细胞的相互作用机制。实验
1.1 试剂和仪器
高糖培养基(DMEM)，胎牛血清(FBS)和0.25%胰蛋白酶，Gibco;1% 双抗，磷酸缓冲盐溶液(PBS)，Hyclone;曲拉通X-100，Aladdin。GATAN 832.20B 透射电镜;RF-5301 荧光分光光度计;Zetasizer Nano Seriesa ZEN4602 纳米粒度电位仪;BD FACS Calibur 流式检测仪;LeicaTCS SP8 共聚焦检测仪;Dimension Icon，BrukerAXS 原子力显微镜。
1.2 细胞培养
MDA-MB-231 细胞在完全培养基(高糖基础培养基∶ 胎牛血清∶ 双抗= 89∶ 10∶ 1)，37 ℃，5% CO2的条件下培养。
1.3 流式细胞检测
将2 mL 密度为1 × 105 个·mL-1 的细胞接种在细胞培养皿中培养10 h，然后将培养基吸掉，用PBS 清洗3 次，加入浓度为100 μg·mL-1 HINPs 或HMNPs 粒子的分散液，分别放在三种不同的培养条件下培养: 37 ℃(常规条件)，低温4 ℃和曲拉通X-100(Triton X-100)。
℃条件下，粒子的分散液是将纳米粒子原液添加到完全培养基制得，用其替换原培养基后放在37 ℃，5% CO2的条件下接着培养。低温4 ℃条件下，将粒子原液加入完全培养基得到分散液，用其替换原培养基放在低温4 ℃的条件下继续培养。曲拉通X-100 条件下，将粒子原液添加到含曲拉通X-100(体积分数为0.0033%)的完全培养基得到分散液，用其替换原培养基放在37 ℃，5%CO2的条件下继续培养。
每种条件下细胞都分别继续培养1，3，5 和10 h，然后将含粒子的培养基吸出，用PBS 清洗3次，用0.5 mL 0.25%的胰酶消化4 min，后用2 mL的完全培养基终止消化，将其放入离心管以1000r·min-1的速度离心5 min 得到细胞，向离心管内加入3 mL PBS 将细胞吹打均匀后再离心5 min，最后将得到的细胞分散在500 μL 的PBS 中做流式检测。每次至少测量10000 个细胞后再计算细胞平均荧光强度。
1.4 共聚焦成像
将2 mL 密度为2.5 × 104 个·mL-1 的细胞悬液接种在含直径为20 mm 玻片的35 mm 的培养皿中培养，培养方式和培养条件与做流式检测的实验相同，不同之处在最后样品处理的过程。细胞在含粒子的培养基中分别培养1，3，5，10 h后，用PBS 清洗3 次，最后向培养皿中加入1 mL 的PBS，接着进行共聚焦检测。
1.5 原子力显微镜检测(AFM)
在研究表面活性剂对上转换纳米粒子与细胞相互作用影响之前，我们先用原子力显微镜做了一些前期实验来研究表面活性剂对细胞形态的影响。培养皿中加入2 mL 密度为3.25 × 104个·mL-1的细胞培养10 h。将培养基替换成含有0.0033% 曲拉通X-100 的完全培养基继续培养10 h。用PBS 将细胞清洗3 次，接着用3% 的甲醛溶液在4 ℃固定2 h，用PBS 清洗5 次，后依次用10%，30%，40%，60%，70%，80%，90% 和100%的乙醇处理5 min 脱水。最后样品用原子力显微镜进行检测。结果和讨论
HINPs 和HMNPs 是平均粒径为30 nm 的近似六边形的亲水性稀土上转换发光纳米粒子，HINPs因表面氨基带正电，HMNPs 因表面巯基带负电。稀土上转换发光纳米粒子可以由低能量近红外光激发发射出高能量的可见光，所以进行体内或体外的荧光检测时，可直接使用上转换发光纳米粒子而不需要标记荧光染料。由于没有荧光染料释放到体内环境，所以用这种材料进行荧光成像和流式检测时会获得更准确的数据。虽然HINPs和HMNPs 的表面基团不同，但是浓度相同的HINPs 和HMNPs 溶液由激发光980 nm 激发发射的荧光强度基本相近，所以细胞荧光成像时不会因荧光强度的不同造成巨大的成像差异。HINPs 和HMNPs 在三种不同的培养环境中与细胞相互作用，包括37 ℃(常规条件)，低温4 ℃和曲拉通X-100。通过使用共聚焦成像和流式检测两种检测手段对细胞进行表征。
2.1 HINPs 与细胞相互作用的探究
2.1.1 37 ℃常规条件
℃条件下，将细胞放在含有100 μg·mL-1HINPs 的完全培养基中培养一段时间。由共聚焦图3 可以看到，1 h 时几乎没有HINPs 进入细胞，大部分的颗粒粘附在细胞膜上。3 h 后，大量颗粒进入细胞，使得细胞荧光强度有了显著提高。5 和10h 后，颗粒更加均匀地分布在细胞内，吸附在细胞膜上的颗粒少。随着时间的推移，细胞荧光强度整体上有增加的趋势。通过使用流式细胞仪对细胞荧光强度做定量检测，由图4可知细胞的荧光强度的确随着时间的推移而增长，3 h 内颗粒进入细胞的速度最快，此后粒子进入细胞的数量增长缓慢且逐渐趋于平衡。另外，细胞内有显著的点状荧光分布格局，可以推论HINPs 是被囊泡包裹进入细胞。
2.1.2 低温4 ℃℃条件下 4 ℃的条件下基本没有HINPs 进入细胞。根据文献报道在4 ℃的培养条件下为细胞膜转运物质提供能量的途径会受到抑制，从而阻碍胞吞和胞吐等需消耗能量的跨膜运输方式。因此可以推论出细胞对HINPs 的摄取需要消耗能量。
2.1.3 曲拉通X-100
将细胞在含HINPs 和曲拉通X-100 的完全培养基的条件下培养，进一步探究HINPs 的转运是否与膜蛋白有关。曲拉通X-100 作为一种非离子去污剂，可以破坏蛋白质-脂质以及脂质-脂质之间的连接，但不破坏蛋白质-蛋白质的连接，使蛋白质从细胞膜上溶解和分离。曾有研究表明当曲拉通X-100 的浓度低于0.15 mmol·L-1 时，细胞膜的通透性没有变化且不影响细胞活性。为了证明这一点我们先做了预实验，将细胞放在含0.0033%(0.04 mmol·L-1)曲拉通X-100 的完全培养基中培养10 h，用AFM 进行检测。在没有加曲拉通X-100 的空白对照组中，统计了50 处不同位置不同细胞剖面高度的数值，得出对照组细胞膜的平均高度差为81 nm。在曲拉通X-100 处理过的实验组中，统计了50 处不同位置不同细胞剖面高度的数值，得出对照组细胞膜的平均高度差为193 nm。实验组的高度差要远大于对照组的高度差，说明曲拉通X-100 确实能在细胞保持活性的情况下使细胞膜产生孔洞。将细胞在含HINPs 与0.0033% 曲拉通X-100的培养基中培养，细胞内看不到绿色荧光与37 ℃ 条件含HINPs 培养基中培养的细胞相比，在仅是添加了曲拉通X-100 的情况下就导致了细胞内没有绿色荧光的出现，即无纳米粒子的进入。通过前面对曲拉通X-100 作用的讨论可知，虽然细胞膜上出现一些空洞，但细胞仍然保活性、细胞膜的整体构架完整且通透性没有变化，由此可推论出曲拉通X-100 主要影响的是膜蛋白的活性，甚至使得膜蛋白与细胞膜分离。因此HINPs 纳米粒子未能进入细胞，可以理解为由于膜蛋白的失活或缺失而导致纳米粒子不能进入细胞。因此，膜蛋白在HINPs 的跨膜过程中有着非常重要的作用。
通过对37 ℃，4 ℃和曲拉通X-100 三种条件的实验结果的分析可推出HINPs 进入细胞应该先与细胞膜上的受体蛋白结合，导致膜凹陷，继而形成內吞囊泡进入细胞。这一过程也称为消耗能量的受体介导的胞吞运输方式。
2.2 HMNPs 与细胞相互作用的探究
为了从另一个角度探究上转换纳米粒子与细胞的相互作用，我们采用另一种表面带负电的HMNPs 纳米粒子做相同的实验进行对比。HMNPs与HINPs 细胞荧光强度的变化在总体趋势上没有明显的区别。在37 ℃ 条件下培养时，细胞摄取HMNPs 的量是最大的。在其它情况下基本没有粒子进入细胞。HMNPs 进入细胞的过程同样是一种消耗能量的受体介导的胞吞运输方式。虽然HMNPs 与HINPs 的运输方式相同，但是由共聚焦看到HMNPs 的细胞荧光强度要比HINPs 的细胞荧光强度弱，即HMNPs 进入细胞的量要小于HINPs 的进入量。两种粒子各自相对荧光强度图，计算方法是将每个时间点的实验组与空白对照组的细胞荧光强度相减得到差值，后将每个差值除以1 h 的差值得到相对强度。这样排除了粒子荧光发光强度不同的因素，可以直接定量得出正常条件下细胞对HMNPs 的摄取量的确远低于对HINPs的摄入量，说明带正电的HINPs 更容易和带负电的细胞膜结合进入细胞。结论
纳米粒子与纳米材料 篇3
由纳米粒子制作的智能手机Booklet有八个部分，而这八个部分不但都可以进行折叠，还同时代表着手机的不同功能：通话、相册、地图、短信、电子书……你翻开不同的部分就可以使用不同的功能，这种感觉就像是在翻看书本，如翻书一样使用智能手机确实是一件有意思的事情。而且，在需要的时候你也可以把一个屏幕的功能拓展到其它屏幕上，这让它看起来又有点像折页。同时，制造商还可以把它裁剪到任何合适的尺寸，一旦其中某部分破损了，那这些部分都是可以进行回收的，可见性价比相当之高。在隐私方面用户也不必太担心，因为这款产品全部的数据交换都是在云端完成的。而尤其令人意想不到的是，它的动力居然利用的是纳米粒子所吸收的太阳能，听上去是不是感觉很酷呢?只是，这款概念产品离它的商用还有多远，我们不得而知，因为我们暂时还看不到他的商用前景。不过科学家们正在夜以继日地工作，争取尽早在该领域内突破技术屏障。所以现在看来，你还是暂时留着你的手机。因为T--代产品还需要一些时间。
摘自：http：llwww.yankodesign.com
点评：多屏幕可折叠的智能手机并不新鲜，之前也有一些概念机问世。这款Booklet最吸引的人莫过于其原材料——纳米粒子。如果相关技术问题能够得到圆满解决的话，新一代的智能手机就不再需要电池，而变成了一个可以自给自足的手持移动设备。光是这一点，就足够令现在饱受智能手机续航能力差困扰的用户欢欣鼓舞了。但这一切，还有赖于研发人员继续努力。
炫酷3D概念手机问世
这款号称是“悬浮”的手机让我们对未来3D手机长什么样子有了初步的印象。作为未来3D版的智能手机F10atmg Phone，它最奇妙的地方在于我们体验到了随着你的手指触摸，光滑的屏幕上直观地产生了凸起，这让我们打电话和发短信的过程都成了一次全新的历险。并且还附带全新的盲文电话查找附加功能，所以我们可以想象这个新型概念手机的应用范围有多么广泛，更有趣的是，你可以横向操作手机，立马变身PSP给你无限的惊险刺激。
摘自：http：//www yankodesign.com
点评：如今市面上的一些3D手机，多利用的是视觉欺骗技术，或通过在手机上搭载微型云台来实现。Floating Phone很有可能真正实现从手机界面到各种应用的裸眼3D。可以合理推测的是，今后APP开发者在开发完普通版HD版之后，可能还需要开发一个3D版。
纳米粒子与纳米材料 篇4
研究小组发现, 人体中的一种正常的良性蛋白质, 如果和纳米粒子相结合, 就能瞄准并杀死癌细胞, 而无须负载那些携带化疗药物的粒子。此前, 研究人员曾认为, 纳米粒子只有携带了有毒的化学载体才能达到这样的效果。
转铁蛋白是人体血液中数量第四多的蛋白质, 近20年来一直被作为肿瘤靶向载体治癌药物。纳米粒子通常是无毒的, 需要通过负载标准化疗药物来治疗癌症。然而, 结合转铁蛋白的“打印”纳米粒子, 不仅能识别它们, 还能诱导癌细胞死亡。而不与任何纳米粒子结合的自由转铁蛋白, 能从拉莫斯癌细胞中获得养料生长, 即使在很高浓度下也不会杀死任何拉莫斯癌细胞。然而令人吃惊的是, 转铁蛋白附着在纳米粒子表面后, 能有效地筛选标靶, 攻击并杀死B细胞淋巴瘤。在许多迅速生长的癌细胞表面, 蛋白质受体被过度表达, 于是和转铁蛋白配体结合的治疗就能找到并瞄准它们, 而结合转铁蛋白的纳米粒子被认为是安全且无毒的。
这种“打印”技术, 能人为造出尺寸精确且形状符合预期的纳米颗粒。他们采用这种技术制作出一种可与人类转铁蛋白相结合的生物相容性纳米粒子, 能安全且精确地识别广谱癌症, 除了B细胞淋巴瘤外, 还能有效地指向非小型细胞, 如肺、卵巢、肝脏和前列腺的癌细胞。
研究人员目前正在进一步研究, 携带转铁蛋白的纳米粒子为何对于拉莫斯癌细胞是有毒的, 而对其他细胞却无毒。
纳米粒子与纳米材料 篇5
岩石中纳米粒子层的观察厘定及其地质意义
纳米粒子具有个体极小(≤100nm),大小均一,多元物质和功能繁多的特点.岩石剪切滑移面纳米粒子层最早发现于美国圣安德列斯断裂带的花岗质糜棱岩中,后相继在国内外一些地区的`不同岩类中观察到.在剪切滑动作用下,具有圆度和球度的纳米粒子可被变异,并形成层状结构和各种构造型式.对岩石中纳米粒子层的成因有着不同的观点,我们倾向于剪切摩擦的主导作用,纳米粒子层可称谓摩擦一粘性薄层带.纳米级尺度粒子的力学、物理和化学效应是多种的、新奇的,因此,岩石纳米粒子层的研究有着重要的理论和实践意义.目前有关方面的研究工作,国内外都处在起步阶段.
作 者：孙岩 陆现彩 舒良树 刘浩 SUN Yan LU Xian-cai SHU Liang-shu LIU Hao 作者单位：南京大学地球科学系内生金属矿床成矿机制国家重点实验室,江苏,南京,210093 刊 名：地质力学学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF GEOMECHANICS 年，卷(期)： 14(1) 分类号：P583 关键词：剪切滑移面 纳米粒子层 岩石 层状结构 构造型式纳米粒子与纳米材料 篇6
摘 要： 以锌粉、氯化钴为原料，用化学沉淀法制备纳米Co粒子。通过正交实验考察了反应 温度、搅拌转速、反应时间等工艺条件对Co粒子的粒径及形貌的影响。用透射电镜（TEM） 对试样进行了分析。实验表明：在反应物料浓度一定的条件下，Co粒子的形貌主要由反应温 度决定；影响粒径的因素主次排序依次为反应温度、搅拌转速、反应时间；为制备不同粒径 及形貌的纳米Co粒子提供了依据。
关键词：纳米Co粒子；工艺条件；粒径；形貌
中图分类号：O654.162 文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2008)03-0057-04
纳米磁粒子在外界电磁场的作用下，会产生磁光、磁热、磁吸收、磁化学、磁生物等多 种物理效应和信息转换功能。人们利用这些不同的“效应”和“功能”转换特性制造出具有 各种特殊用途的元器件，以满足不同领域的需要。如用纳米Fe3O4粒子制作高密度磁记 录材料，可以大幅度改善大容量磁盘和磁带的性能［1］；纳米Fe3O4、FeN3等 粒子的表面经过化学修饰后分散在载液中，是一种液体功能材料，可用于制作密封元件、扬 声器、光学开关、磁性滑动轴承等［2-6］；以纳米Fe3O4粒子为载体制成导向 剂，可使药物聚集于体内的局部，对病理位置进行高浓度的药物治疗，可以获得传统治疗方 式难以达到的理想效果［7-8］。由于纳米钴的磁性能优于纳米铁氧体，为了制备不 同粒径和形貌的纳米钴，对其制备工艺条件进行研究具有重要意义。本研究用化学沉淀法制 备纳米钴粒子，在反应物料质量浓度一定的条件下，通过正交实验考察了反应温度、搅拌转 速、反应时间等工艺条件的变化对Co粒子的粒径及形貌的影响。用透射电镜（TEM）对试样 进行了分析，从理论上对实验的现象及结果进行了解释。
1 实验部分
1.1 试剂及仪器
试剂：锌粉，CoCl2•XH2O，NaOH, 乙醇，异丙醇，H2SO4（98%）。
仪器: DW-3-60数显电动搅拌器，HH-S数显恒温水浴锅(控温精度±1 ℃)，P HS-3C数显酸度计，JY2002 电子天平，JEM-100CXⅡ型透射电镜、LXJ-64-01高速离心机 等。
1.2 实验方法
将质量浓度为35%的CoCl2溶液200 mL置入装有搅拌器、酸度计、温度计的四 口烧瓶（500 mL）中， 滴入0.5~0.6 mL的浓H2SO4。 在电动 搅拌的条件下， 用恒温水浴锅将CoCl2溶液加热到规定温度。 将一定量的锌粉在规定的 时间 内分三次加入CoCl2溶液中以制取Co粒子。为了考察反应温度、 搅拌转速、 反应时间的 变化对Co粒子粒径和形貌的影响， 按表1进行三因素三水平正交实验。 反应结束后加入50 mL质量浓度为20%的NaOH溶液， 在60 ℃、 搅拌转速为 750 r/min的条件下反应40 min除去未 反应的锌。用蒸馏水进行洗涤除去可溶性盐， 再用高速离心机进行分离，除去大部分水。最后用热乙醇（50 ℃）对分离物进 行洗涤除去残留的水，然后加入一定体积的异丙醇，得到9个湿态的Co粒子试样。
1.3 试样检测
湿态的Co粒子经超声波振荡分散后，用JEM-100CXⅡ型透射电镜（南京大学现代分析中心 、 安徽大学分析中心）进行分析，观测Co粒子的形貌及粒径大小、用统计平均的方法确定平均 粒径Dv。
2 结果与讨论
2.1 三因素对Co粒子粒径影响的主次分析
根据表1的实验因素和水平制备的Co粒子试样计9个， 用透射电镜（TEM）观测试样的平 均粒径及形貌， 结果见表2。 对表2中的实验结果， 根据因素的不同水平分组求和， 并计 算极差， 结果见表3。
由表3中极差的大小可以看出，在考察的三个制备条件中，反应温度是影响Co粒子粒径的主 要因素，搅拌转速、反应时间是次要因素。随着反应温度的升高，Co粒子的形貌由棒形、球 形变为球形、六面体，最后变为六面体、棒形。2#、6#、8#试样的TEM照片见图1。
2.2 反应温度对Co粒子粒径的影响
反应温度对Co粒子粒径的影响见图2。由图2可知，随着反应温度的提高，Co粒子的粒径 呈低幅下降的趋势。在反应过程中Co粒子的生成包括其晶粒的形成和长大过程 ，温度对晶粒的形成和长大均有影响［9］。 晶粒的生成速率方程为：
式中：K为反应速度常数；σ为液固界面张力；M为溶质分子质量；ρ为溶质颗粒的密度； S为溶液的过饱和度；R为晶粒半径。
由晶粒的生成速率方程以及过饱和度与温度之间的关系(当溶液中溶质含量一定时，溶液过 饱和度一般是随温度的升高而下降)可知，当反应温度升高时，CoCl2溶液的过饱和度S 变小，界面张力σ增大，晶粒生成的速率N变小、晶核的数量多，结晶颗粒的粒 径小 。由于Co粒子的生成主要是由晶粒的形成过程控制的，因此在规定的反应时间内，晶粒的长 大过程所用的时间缩短，Co粒子的粒径呈低幅下降。
2.3 搅拌转速对Co粒子粒径的影响
搅拌转速对Co粒子粒径的影响见图3。
由图3可知，随着搅拌转速的提高, Co粒子的粒径略有增大。这是因为搅拌转速的提高加快 了反应体系中Co2+的运动速度,使得与锌 粉之间发生反应的机率增大，有利于Co晶粒的生成,由于反应速率不是很大，反应体系中Co 晶粒的生成不是在瞬间形成的，因此不会迅速引起溶液中CoCl2的过饱和度降低，这对于C o的二次成 核及晶粒的增长是有利的，但在规定的反应时间内，Co粒子的粒径不会增长很大。此外，搅 拌 转速的提高虽然会引起Co粒子之间碰撞的几率增加，但是在搅拌桨转动产生的剪切力及液体 的粘滞作用下,在Co粒子表面会产生较大的剪切力,即使Co粒子有机会碰撞在一起,但在剪切 力作用下也难以聚集成团,形成粒径较大的Co粒子。
2.4 反应时间对Co粒子粒径的影响
反应时间对Co粒子粒径的影响见图4。由图4可以看出，随着反应时间的延长，Co粒子的 粒径变化很小。由前面的分析可知，Co粒子在形成过程中包括晶核的生成和长大两个过程。 在晶 核的生长过程中，经过多次溶解、再结晶过程，体系中微小的晶核不断溶解，在表面能较低 的大晶粒上析出，从而使晶粒不断长大。原则上反应时间愈长、Co粒子的粒径愈大、分布范 围愈宽。但是，在规定的反应时间内，由于反应溶液自始至终受到强烈的搅拌作用，使Co粒 子在反应过程中难以聚集，有效地控制了晶核的生长速度，降低了时间因素产生的影响。
3 结论
（1） 用化学法制备纳米Co粒子时，在CoCl2质量浓度一定、锌粉过量的条件下，工艺条 件的改变会引起Co粒子的粒径、形貌的变化。
（2） 对Co粒子粒径影响最大的是反应温度，其次是搅拌转速，反应时间几乎无影响。
（3） 形貌主要由反应温度决定，温度较低时Co粒子形貌主要是棒形为主和少量的球形；温 度略高时以六面体居多，温度较高时主要是六面体和少量的棒形。
（4） 由于使用的锌粉过量，反应结束后必须在反应液中加入一定量的NaOH，以除去未反应 的锌粉，提高Co粒子的纯度。
（5） 单一形貌纳米Co粒子的制备是需要进一步研究的问题。
参考文献：
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纳米粒子与纳米材料 篇7
表面增强拉曼散射属于一种特殊的表面光学现象, 它基于颗粒体系及纳米尺度的粗糙表面之上, 银纳米粒子所具有的特异性及高灵敏度可以有效提升其检测分子的拉曼散射信号的能力[1]。 三聚氰胺本身不具有毒性, 常作为化学原料用于工业中, 但三聚氰胺本身的含氮量极高, 达66.5%左右, 会被一些不法商家用来添加入食品之中, 如销售量大的奶制品。目前对于三聚氰胺的检测方法有许多种, 例如液相色谱法、气相色谱法等等, 过去所使用的方法都有着较大缺点, 操作难度大且处理复杂使得在检测工作上得不到良好的检测效果, 为此, 研究出操作简单、经济实用的检测办法是当今所要进行的课题。
2实验过程
拉曼光谱技术有着指纹的特性, 属于振动光谱技术, 常用于分子结构特征的检测, 缺点为检测灵敏度较低, 因此检测范围受到了限制。在1974年, Fleischmann开发了表面增强拉曼光谱技术, 利用纳米结构作为拉曼光谱基底表面, 可以让拉曼信号的强度显著提升。事实上, 我国的SERS能够检测到单分子, 因而在未来检测微物质的应用上可发挥出无限的潜力, 本次研究采用了硝酸银、水和聚乙烯吡咯烷酮作为原料合成银纳米溶胶, 将其作为SER基底, 考察其活性并对三聚氰胺进行更深入的研究和分析[2]。
2.1实验原材料
聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银、对羟基苯硫酚、三聚氰胺、蒸馏水。
2.2nm银颗粒制作
准备硝酸银水溶液和PVP水溶液, 浓度分布为0.01mol/L和15%, 硝酸银水溶液与PVP水溶液分别准备10m L, 然后将其混合后放置入已经备好的100m L烧瓶之内, 烧瓶需要静置在恒温的油浴内, 利用磁力对其搅拌, 时间为5h, 5h后溶液会变为绿色, 最后使用蒸馏水对其进行离心洗涤, 洗涤2次以后静置在水中。
2.3方法
等离子的光学特性需要利用紫外- 可见分光光度计来表征, 方法如下:首先准备好石英比色皿和2m L的银溶液, 将银溶液放置在石英比色皿中, 使用光谱仪进行测量, 测量完毕后与蒸馏水进行比较。光谱仪扫描的波长范围在300nm~800nm, 使用透射电子显微镜测量银纳米粒子的粒径及形状, 然后将加速电压设置为50k V。
采用拉曼光谱仪检测三聚氰胺, 将0.1m L银溶胶于1m L三聚氰胺溶液进行混合, 混合溶液需要使用微量移液枪进行量取并取出, 取出量为100μL, 取出后滴在玻璃杯内的凹槽内, 随即将玻璃片盖在表面, 将短焦镜头聚集在表面上, 收集所获得的拉曼信号。
3结果
3.1银纳米粒子
检测使用材料中, PVP属于非离子型的表面活性剂, 它的作用主要是作为稳定剂和保护剂, 制备银纳米粒子的过程之中, PVP的作用是阻断纳米粒子在过程中的结合, 由于PVP本身拥有一个羟基, 所以PVP也同样有着稳定的还原性。使用PVP合成的银纳米溶胶, 使其具有良好的稳定性, 且银纳米粒子也具备了较良好的单分散性, 其平均的粒径大约在18nm左右。
在紫外可见光的区域之内, 金属纳米粒子会显现出其表面的等离子体共振性质, 银纳米粒子之间的聚合是通过吸收峰的位置与形状所反映出来、形态变化情况以及粒径大小情况等, 本次研究中的银纳米溶液在波长为410nm时反映出了较强的等离子吸收峰, 有关研究表明, 当银纳米粒子的粒径达到15nm~30nm时, 其紫外特征吸收峰会显现在410nm处, 与本次研究结果基本相一致。
3.2银纳米粒子SERS性能分析
金属纳米粒子如金、银、铜等都具备有自身特殊的光学性能, 常常被用作SERS的活性基底部分, 银纳米粒子通过实验被确认为是金属纳米粒子中拥有增强效应最高的一种纳米粒子, 为此, 在研究中所使用的纳米粒子普遍为银纳米粒子。对羟基苯硫酚作为Raman模型分子, 对银纳米粒子的SERS活性和检测灵敏度进行考察。银溶胶可以检测出最低浓度为10mol/L~9mol/L的对羟基苯硫酚。同样的, 采用银溶胶对三聚氰胺进行检测中发现, 所得到检测限度可为10 mol/L~5mol/L, 表明银溶胶在SERS基底中具有灵敏度高的特性, 因此可用于微量物质检测分析。
4结语
综上所述, 银纳米粒子所利用的稳定剂及还原剂均为绿色且无毒的原材料, 银纳米粒子所含的粒径只有18nm, 其结晶性非常高, 有着良好的分散性, 在SERS性能中体现出了较高的灵敏度及高活性, 研究出新一代的微量物质检测方法。为此, 银纳米粒子所具有的表面增强拉曼光谱活性更适用于食品安全检测、环境污染物检测等领域之中, 为食品安全及化学用品安全带来了更深厚的保障, 提高人民的生活质量, 值得更进一步的研究。
摘要：银纳米粒子是由聚乙烯吡咯烷酮和水所合成, 其具有简单、经济且环保的优点。根据相关研究分析表明, 银纳米粒子其所具备的稳定性较高, 本身的平均粒径只有大约18nm, 其粒径大小表明了银纳米粒子有着较高结晶度。采用银溶胶对三聚氰胺进行检测发现, 所得到的三聚氰胺检测限度可为10 mol/L5mol/L, 表明银溶胶在SERS基底中具有灵敏度高的特性, 在环境保护及食品安全检测领域中有着非常重要的意义和价值。
关键词：三聚氰胺,银纳米粒子,银溶胶,应用价值
参考文献
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纳米粒子与纳米材料 篇8
关键词：银纳米粒子,复合纳米材料,电纺丝,制备
聚合物与贵金属粒子结合来制备贵金属粒子/有机复合纳米材料, 可大大提高结构高分子材料参与电子转移和输运的能力, 拓宽其可能应用的范围, 因而具有巨大的应用潜力。近年来, 以纳米银粒子填充聚合物合成功能性复合材料已经取得很大进展, 已经报道的聚合物有聚乙烯醇、聚吡咯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。纳米复合材料由于分散相与基体相之间的界面面积特别大, 如分散相粒径为15～20nm 时, 其界面面积高达160～640 m2/g , 当分散相和基体的性质充分结合起来时, 将对基体的物理和化学性质产生特殊的作用。银/聚合物复合材料同时具有了纳米银和聚合物的优良特性, 并赋予材料一些特异或新的功能, 从而使其在光子学、电子学、生物医学和信息材料学等诸多领域具有广阔的应用前景[1,2,3,4,5] 。因此其制备与应用已经成为目前纳米材料研究领域关注的热点课题。
静电纺丝法是通过高压静电来制备连续的聚合物纳米纤维的重要方法。它是将高分子、纳米微粒/聚合物溶液或熔融体在几千至几万伏的高压静电场作用下产生正电荷, 带电荷的高分子或纳米微粒/聚合物溶液或熔体首先在喷射孔处形成Taylor圆锥形液滴, 在高压电场所产生的拉伸力克服了液滴的表面张力后, 该带电液滴形成喷射流, 由于电场的作用以及自生电荷的相互排斥而发生劈裂, 该喷射流进一步被拉伸, 然后由于溶剂挥发或熔体冷却而固化, 最后以无纺布状的形式形成纤维状纳米材料[6,7,8]。
1 银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维的制备
在电纺丝方法的研究初期, 人们将注意力主要集中在单组分高分子纤维的制备方法和电纺丝理论的研究方面。自本世纪初, 这一领域的研究开始转移到有机/无机纳米复合材料的制备, 特别是一维有机/无机纳米复合材料的研究。近年来, 运用电纺丝技术将贵金属纳米粒子引入聚合物纳米纤维矩阵中已倍受人们关注, 其中最早被研究的是将银纳米粒子添加到聚合物纳米纤维当中, 可以获得具有相应功能的银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维。
运用电纺丝技术制备银纳米粒子/聚合物复合纳米纤维在当前纳米材料研究中占有极其重要的地位。丙烯腈上的腈基 (CN) 贡献出它们外层轨道的孤对电子和银的空轨道形成配位键, 银离子可以和丙烯腈上的 CN 键络合, 使得聚丙烯腈 (PAN) 成为银的理想载体。在2003年, Yang等在首次获得表面光滑、尺寸均匀、直径较细的PAN纳米纤维后, 这为原位合成银纳米粒子提供了非常好的条件, 最后在还原剂作用下, 采用液相原位化学还原法先制备银纳米粒子, 银离子被还原为单质银, 并迅速被PAN 包裹起来, 形成了相应的溶胶。又将 (PAN) 保护的银溶胶利用静电纺丝技术制备了银/PAN复合纤维, 并且发现银纳米粒子的晶体结构在高压电场下能保持稳定, 从而为进行该类研究打下了很好的基础[9]。PAN纤维及银/PAN纤维的电镜照片见图1。
2006年, Yang等在聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 溶液中, 采用液相原位化学还原法, 乙醇直接还原银离子得到银纳米粒子;在PVP上的O原子有孤对电子与银粒子的外层电子空轨道形成配合键, 生成的银粒子就被高分子包覆起来, 阻止了粒子之间紧密接触而生成沉淀。并用以上溶液为原料来制备银/PVP复合纳米纤维, 并且对其拉曼光谱性质进行了研究[10]。
抗菌材料中的核心成分是抗菌剂。抗菌剂根据其基质材料的不同, 可以分为天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三种。无机抗菌剂是通过将无机材料固有的稳定性和抗菌成分的抗菌高效性及广谱性相结合, 比有机抗菌剂有更为显著的优点, 在抗菌陶瓷、抗菌搪瓷、抗菌塑料、抗菌纤维制品及抗菌涂料等方面都有广泛的应用。银系无机抗菌剂以其优越的抗菌性能得到了广泛的关注。为提高抗菌剂的活性和使用分散性能, 以纳米粉体为载体的抗菌剂成为研究热点。Youk的研究小组研究含有银纳米粒子的聚合物纳米纤维及其抗菌性能的研究方面成果显著。最初, 他们对如何控制稳定的纳米银粒子的尺寸和晶型, 改善其形貌, 避免纳米银粒子制备后的团聚现象, 在聚合物基质内制备出尺寸均一、形状可控的纳米银粒子做了较为细致的研究。他们制备了含有银纳米粒子的PAN纳米纤维、PVP纳米纤维及PVP/聚乙烯醇 (PVA) 复合纤维, 对这类含有银纳米粒子的聚合物纳米纤维制备条件进行了初步探索[11,12]。Son等采用电纺硝酸银/纤维素复合溶液, 得到含有银盐的纤维素纤维, 通过紫外灯照射还原阴离子, 得到了银纳米粒子/CA复合纳米纤维;复合纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌具有较好的抗菌性能[13,14]。
Youk等报道了银/PVA复合纤维的制备过程, 并对其生物抗菌性能进行了研究, 表明复合纤维对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌具有较好的抗菌性能[15,16]。最近, 他们在非水溶性聚合物纳米纤维内掺杂了银纳米粒子制得了银/PCL-PU复合纤维, 这种非水溶性的抗菌纤维必将有良好的应用前景[17]。
2 结 语
纳米粒子与纳米材料 篇9
γ-聚谷氨酸是一种氨基酸聚合物,在自然界或人体内能生物降解成内源性物质谷氨酸,不易产生蓄积和毒副作用。因此,γ-PGA在污水处理[2]具有良好的应用前景。此外,它在临床领域[2,3,4]应用最多,能够准确递送药物至指定组织,是一种理想的药物载体。
壳聚糖是一种天然高分子化合物,是自然界中存在的唯一天然碱性多糖,近年来,国内外研究者对壳聚糖进行了大量研究,表明其具有相对无细胞毒性,不溶血、不致敏、生物相容性良好以及生物可降解性[7]。
1 实验部分
1.1 原料和仪器
主要试剂:壳聚糖(CS),国药集团化学试剂有限公司;γ-聚谷氨酸(γ-PGA),南京赛泰斯生物科技有限公司;紫杉醇(TXL),西安昊轩生物科技责任公司。
主要仪器:超速离心机,天美科技有限公司;差示扫描量热仪(DSC Q200),美国TA仪器公司;傅里叶红外光谱仪,浙江精科计量仪器有限公司。
1.2 实验步骤
1.2.1 γ-聚谷氨酸/壳聚糖包埋紫杉醇复合纳米粒子的制备方法
(1)将紫杉醇溶于去二甲基亚砜(DMSO)中,轻微搅拌,配成0.5～2 mg/mL的紫杉醇溶液;
(2)将γ-聚谷氨酸溶于去离子水中,磁力搅拌,配成0.5～2 mg/mL的γ-聚谷氨酸水溶液;
(3)将壳聚糖溶于1%的醋酸溶液中,磁力搅拌,配成0.5～2 mg/mL;
(4)取一定体积(1)与(2)配比,将(3)缓慢滴加入混溶体系中,边滴加边搅拌,直至出现蓝白色荧光溶液,记录比例,高速离心干燥后既得纳米粒子。
1.2.2 纳米粒的载药量和包封率测定
精密称取载药纳米粒冻干粉末适量,溶解于乙醇3 mL中,用高效液相色谱(HPLC) 法测定TXL含量。色谱条件为:流动相为甲醇:乙醇:水(40:35:25),流速1.0 mL/min,柱温30 ℃,检测波长227 nm,进样量20 μL。
标准曲线的绘制:以TXL原料药为对照品,以甲醇溶解制备对照品储备液, 用流动相稀释配制成浓度分别为0.009375,0.01875,0.0375,0.075,0.15 mg/mL系列标准溶液。准确吸取不同浓度的标准溶液20 μL进样,以峰面积为纵坐标,浓度为横坐标做线性回归曲线。
包封率EE(%) =W包/W药×100%
载药量DL(%) =W包/W总×100%
式中:W包——纳米粒中包裹药物量,mg
W药——投入的总药量,mg
W总——纳米粒的总质量,mg
1.2.3 红外光谱分析(FTIR)
取少量的制备好的样品干燥纯品,与KBr按1:100研磨压片制样,用傅里叶红外光谱仪测定样品的红外光谱图。扫描范围4000～500 cm-1,分辨率为4 cm-1,室温测定。
1.2.4 差示扫描量热分析(DSC)
精确称取3～6 mg样品,程序控温:① 从室温升到150 ℃(升温速率为15 ℃/min),停留2 min;② 从150 ℃降到-30 ℃(降温速率为15 ℃/min),停留2 min;③ 从-30 ℃再一次升高到300 ℃(升温速率为10 ℃/min);④ 降回室温(升温速率为15 ℃/min)。
1.2.5 投射电镜测试(TEM)
纳米粒的形态应用投射电镜(TEM)观察:取1或2滴纳米溶液置于铜网上,用2%磷坞酸溶液染色,室温晾干,于TEM下观察纳米粒的形态并摄像。
2 结果与分析
2.1 实验最佳比例
2.2 纳米粒的载药量和包封率测定
2.2.1 药品比例一
CS(1 mg/mL)、γ-PGA(1 mg/mL)、TXL(0.5 mg/mL)。
2.2.2 药品比例二
CS(1 mg/mL)、γ-PGA(1 mg/mL)、TXL(1 mg/mL)。
2.2.3 各组分纳米粒的载药量和包封率
利用HPLC测定的TXL的标准曲线的线性关系为y=52400x+30700(r=0.9999,y为峰面积,x为药物浓度),在0.009375～0.15 mg/mL有较好的线性关系。
2.3 红外光谱分析(FTIR)
图1显示,紫杉醇主要特征峰为酮羰基在1733 cm-1和1714 cm-1波数处的两个裂分峰,酰胺基在1646.4 cm-1波数处的羰基峰,及在3300～3500 cm-1波数处羟基伸缩振动吸收峰。其光谱基本是壳聚糖/γ-聚谷氨酸与紫杉醇各峰叠加;而壳聚糖/γ-聚谷氨酸负载紫杉醇纳米粒子也可明显观察到在1724.7 cm-1处一个小吸收峰,可能是紫杉醇的特征吸收峰跟基体材料发生了相互作用导致,紫杉醇酮羰基由两个裂分峰变成1724.7 cm-1处一个小的吸收峰。而纯的γ-PGA/CS形成的复合纳米材料在1724.7 cm-1没有吸收峰。在γ-PGA/CS形成的复合纳米材料中,壳聚糖在1604 cm-1处的伯胺振动吸收峰变消失,在γ-PGA/CS形成的复合纳米材料中出现了仲胺的特征吸收峰(1560 cm-1)。而负载紫杉醇后形成的γ-PGA/CS/TXL复合纳米材料在1560 cm-1处的峰更加明显,说明加入TXL后,由于γ-PGA和CS与TXL之间作用力增强,如TXL与γ-PGA的氨基反应也可以形成仲胺,从而加强了仲胺红外峰强度。
2.4 差示扫描量热分析(DSC)
如图2看出,TXL在223 ℃出现熔融吸热峰,此峰在载药纳米粒中峰值消失,转换成240 ℃处的峰,且峰形宽而短,可能是紫杉醇分解挥发产生的吸热峰,说明TXL已经包裹进壳聚糖和γ-聚谷氨酸组成的载药系统中,且TXL在纳米粒子中是以物理包埋的方式存在的;由于结晶熔融峰变宽和起始熔融温度变低是由于γ-PGA和CS存在下破坏了紫杉醇的结晶度,说明形成的晶形不够完美。另一方面,负载TXL的复合纳米材料都出现明显纯壳聚糖的玻璃化转变温度(145 ℃),说明在TXL和γ-PGA的共同作用下,壳聚糖的链段运动更加容易,相当于起了增塑剂作用。
2.5 投射电镜测试(TEM)
透射电子显微镜观察到纳米粒子呈圆形,形态规整,其平均粒径为110 nm左右,粒径分布均匀。
3 讨 论
本实验采用γ-聚谷氨酸/壳聚糖复合纳米粒子作为药物载体,并研究采用不同浓度的紫杉醇-二甲基亚砜溶液作为药载体模型药物制备的纳米粒子载药效果比较明显。当γ-PGA:CS:TXL=20:20:1其载药纳米粒的载药量和包封率最为适宜。透射电子显微镜的尺寸平均为110 nm左右,形态规整且分布均匀,较为稳定。γ-聚谷氨酸/壳聚糖负载TXL复合纳米粒子有望成为替代TXL注射液成为新型抗肿瘤制剂。
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锡纳米粒子量子壳效应被证实 篇10
理论上, 超导电线可以做到在夏天高温环境下也能无电力损耗传输, 但目前即使最好的超导体也只能在低于零下170摄氏度环境下达到零电阻。虽然实现室温超导目标仍有距离, 但马普固体研究所的这项研究, 使材料获得超导的临界温度有了很大提高, 并在实验室里生产出了具有一定直径的球状金属纳米粒子。
马普固体研究所所长克劳斯·克恩介绍说, 超导体有一个所谓壳效应, 这个效应可以提高材料的超导性能。很早就有物理学家预言, 量子力学也存在一个壳效应理论, 即类似电子在单个原子排列中形成的电子壳, 在金属纳米粒子里也存在着电子壳。在电子壳中一定数量的电子容易构成库珀电子对, 它可以没有阻力地在材料中移动, 电子在电子壳中聚集的数目取决于金属粒子的大小和形状。
利用实验来证实预言的量子力学壳效应是极其复杂的, 为此马普研究人员先在一个极端真空条件下用锡和铅金属生成金属纳米颗粒, 颗粒直径控制在1纳米至50纳米。然后利用马普所自己开发的一种特殊隧道扫描显微镜, 研究纳米粒子在温度接近绝对零度, 即零下273摄氏度的电子特性。通过极高分辨率的隧道扫描显微镜, 研究人员确定了每个粒子的超导能隙, 从超导能隙测算出现超导现象的临界温度。
实验显示, 锡纳米粒子的超导能隙对粒子大小反应非常敏感, 既不是持续减少, 也不是稳步增加, 而是在两者间跳跃式变化。克劳斯·克恩称:“这看起来就像噪音的频谱, 但却符合理论的预言。”在达到临界温度时, 纳米粒子中只有1纳米的一小部分发生变化。铅纳米粒子的反应比锡纳米粒子要更弱, 这两种材料在粒子小于4纳米时, 都不会产生超导性能。
纳米粒子与纳米材料 篇11
关键词：纳米技术与纳米材料；教学改革；教学实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0029-02
纳米科技是继信息技术之后，人类的又一次技术革命，在人类未来的生活中有着非常重要的影响，纳米科技包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米检测与表征等多种学科，是21世纪飞速发展的一门新兴学科，[1]它涉及到物理、化学、生物、电子、机械等多个学科，一个交叉性综合性学科。而纳米材料是整个纳米科技的基础，纳米技术则是整个纳米科技的灵魂，两者在纳米科技中相互交织，一起构成了纳米科技的主体，将会带动整个纳米科技发展。认识纳米技术与纳米材料将会是学生能够了解并跟上未来科技的发展，使学生能够对纳米这种新的科学技术有较为全面认识，开拓视野，扩展知识，从而能够让学生在今后从事纳米方面的工作打下良好的技术，所以很多高校在本科生中开设了《纳米技术与纳米材料》课程。《纳米技术与纳米材料》是一门交叉性综合性学科，涉及到物理、化学、电子、生物等学科的基础知识，而授课所面向的学生在这些技术知识方面存在不同程度的不足，在教学方面存在很大的难度；同时纳米科技发展迅猛，需要不断地更新纳米科学技术的最新进展。如何让学生能够全面地了解纳米科技，理解纳米科技中的一些基本原理，对纳米科技产生兴趣，并培养学生的创造能力和思考能力，这是授课中需要思考的问题。针对上述问题，需要对课程的内容安排，教学的方式方法，教学形式以及考核方面做出一些改进和补充。
一、教学内容的安排与更新
《纳米技术与纳米材料》这门课基本涵盖了纳米科技的整个领域，具有内容多，更新快，范围广等特点，且需要在规定的时间内将整个纳米领域讲授给学生，这就需要教学内容条理清晰，重点突出，逻辑性强，结合纳米科技的特点具有较强的创新性和启发性。在我校这门课所选用的教材为国防工业出版社的《纳米技术与纳米材料》（张志焜，崔作林著），该书主要以纳米材料为中心，介绍了纳米材料的制备、特性以及纳米材料的加工、表征手段，内容丰富，知识面广，介绍详细且深入，是一本较为全面的图书。但对于课程的授课对象——本科生以及学校的实际授课课时来说，这本书的还存在一定的问题，如学时较少，涉及的知识面较宽，书中涉及到的理论较为深奥，而学生的基础知识较为薄弱，且授课课时受限，因此导致学生很难接受教材中的知识，全面地理解书中内容。为此，需要将整个教材的内容重新规划，根据纳米科技领域中所涉及到的学科，故将这门课分为纳米基础及概况、纳米材料的应用、纳米材料的制备、纳米材料加工、纳米电子学、纳米机械学，纳米生物学，纳米的发展前景八个部分，这八个部分既相互独立，也相互联系。以这八个部分为主线，将纳米材料的制作，性能，原理以及应用通过总体介绍、分类介绍、综合讲述，全面地介绍纳米科技以及纳米材料的总体以及两者的相互联系。并且在实际授课中，需要言简意赅，重点突出，条理分明，前后贯通，对于纳米科技所涉及的知识尽量深入浅出，对于抽象的知识，通过比喻等方法，将其形象化，易于让学生接受。如讲授纳米电子学的时候，就需要将纳米材料有哪些特殊的电子学特性及优越性明确指出来，以提起学生的兴趣，随后介绍出为什么纳米材料以及纳米结构会出现这种特性，通过比喻等方法，形象化介绍纳米电子机理、机制。针对本科生基础知识薄弱，所以要尽量减少一些不必要的理论知识，并且重点介绍纳米科技中的方法以及思路，从而能够让学生既能够了解纳米科技，又能从纳米科技的发展中学习到纳米科技的创新思路，从而能够培养学生的创新精神和科学素养。同时针对纳米科技这一新兴学科不断发展的特性，适时、适当地开展专题课程介绍目前纳米科技发展的最新动态，从而能够让学生更多地了解目前纳米科技的科研动态，引导学生关注纳米科技的最新动态。希望能够通过这些内容的学习，从而能够使学生真正的了解纳米科技，掌握其中的基础知识，以及其中的一些实用基础，并拓宽知识面，养成科学、严谨、创新的基本素质。
二、课堂教学方式方法的改变
课堂讲授在教学中是一个非常重要的环节，如何有效地利用课堂时间，激发学生的兴趣、注意力，提高学生的学习能力在教学中一直是一个至关重要的问题。这就需要通过启发、诱导、提问、互动等方式，引起学生的注意力，让学生能够参与到课堂中，培养学生的学习自学能力。[2-7]在讲授方面需由浅入深、深入浅出，务必让学生能够理解课堂所讲述的内容，并根据学生的兴趣，引入一些相关感兴趣的内容，激发学生的学习热情和兴趣。这就需要在教学方式，以及教学方法上，根据课程自己的特点和学生的特点对课程的教学进行一些改革，充分利用多媒体教学，通过影像、板书、图片等方法将一些抽象的知识以丰富多彩的方式讲授给学生，同时，这种课堂的互动，通过提问，自发提问，以及课堂小讲演等方法，激发学生的学习兴趣以及自学能力，培养学生的基础素质。首先针对纳米科技教学内容的特点，其中第一部分纳米的基础及概况即导论将介绍整个课程大体情况，是一门课的开篇，这部分将总体介绍课程的特点，课程的结构，以及教学大致内容，纳米导论部分的讲授将直接影响学生对这门课的印象以及日后学习的兴趣。纳米科技已成为人们普遍关注的一个热点领域，并且已经有一部分纳米产品已经在军事，医疗以及日常生活中出现，并且展示出其独特的魅力，如在军工已经应用的雷达波隐身涂层，纳米衣物，纳米灭菌涂层等，由于纳米科技诞生不久，这些只是纳米科技在未来应用的冰山一角，而目前很多性能奇特的纳米材料以及纳米科技还在科学工作者的研究中，所以很多同学对于纳米科技的了解很浅，知其名而不解其意。针对这个现状，就要通过导论的讲授，让学生了解纳米科技的整体轮廓以及纳米科技的长远意义，使学生能够对纳米科技产生较为浓厚的兴趣。为此，对于导论的讲述需要分为四个部分，第一部分，首先要介绍什么是纳米，以及纳米材料和纳米科技的定义，并举一些纳米材料特例，第二部分介绍纳米材料与纳米技术所研究的范围以及构成，从而让学生能够了解纳米科技的整体雏形以及纳米材料与纳米技术在整个纳米中的关系，以及与传统学科之间的关系。第三部分为纳米科技的发展历程，第四部分为纳米科技的研究热点以及研究现状，结合科技和生活实例，并且配合丰富多彩的图像，引领学生进入纳米领域，让学生对纳米科技有一个直观全面的了解，同时激发学生的学习兴趣。同时在课堂上让同学举出自己所了解的一些纳米科技以及纳米材料，进行互动式讨论。让学生对纳米科技有一个较为深刻的印象。其次，利用多媒体教学中丰富的图片以及影像，直观地让学生了解纳米科技中的一些内容。图片以及视频以直观形象的讲授，让学生更容易了解纳米科技中的一些抽象难懂的内容。利用多媒体教学，可以通过文字讲解，配合形象的图片以及视频可以以多种方式相互配合，让学生了解纳米科技，并对其产生兴趣，同时丰富了教学内容。纳米科技日新月异，在纳米领域，不断有新的科技成果出现。针对这一个特点，对于纳米科技的授课，就需要不断地给学生介绍一些最新的具有价值的科技成果，从而能够对学生有所启发，培养学生的创新精神。同时通过学生参观纳米科技相关的科学仪器，组织学生进纳米材料实验室自己动手制备一些纳米材料，培养他们的科研和创新能力。另外，在教学中需要学生能够积极参与，通过讨论、上台讲解的方式将学生的思维、思想引入课堂，以互动的方式进行教学，能够让学生更加深入地了解纳米科技。
三、考核方式的改变
与基础知识课程不同，纳米科技是一门新兴的且实践性较强的课程，所以通过传统的闭卷或者开卷考试，让学生了解知识点对于纳米科技这门课不是非常适合。对于这门课程，需要注重学生的学习效果，学生的平时表现，平时成绩，学习态度，以及独立创新的素质养成，避免学生为应试而死记硬背，所以需要取消考试，以出勤（10），课堂表现（10），平时作业（20），书面调研报告（30），口头报告（30）的考查形式考核学生，培养学生良好的学习习惯。综上所述，在教学工作中教师应有效地掌握所学知识，激发学生的学习热性，引导学生养成良好的学习习惯，培养学生实事求是的科学素养，以及用于探索的创新精神。
参考文献：
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[2]第23期高校中青年干部培训班“高校教学改革”课题研究组.关于高校“两课”教学方法改革的若干思考[J].国家教育行政学院学报，2006，（2）：31-34.
[3]李进才，孙超.教学方法改革的关键在于教育思想观念的转变[J].中国大学教学，2009，（11）：55-57.
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[5]胡卫东.发达国家职业能力培养的教学方法改革经验借鉴[J].大家，2010，（9）：276.
纳米粒子与纳米材料 篇12
本研究主要是应用一个相对较新的DSC技术, step-scan DSC, 来研究PET/SiO2, PET/At的熔融结晶行为以及不同纳米粒子形态对PET纳米复合物熔融结晶行为的影响。
Step-scan DSC是调制DSC (TMDSC) 的一种[7,8,9]。它主要是在普通DSC上加了个加热 (冷却) -等温程序。其工作过程主要是当样品加热 (冷却) 升温 (降温) 到设定的温度后, 开始等温程序 (等温的时间可以自己设定) 。当等温时间结束后, 又开始加热程序。如此往复。由于样品中可逆的热信号只有在加热过程中才可以观察到, 而不可逆信号只能在等温过程中观察, 所以step-scan DSC能把总的热信号分成可逆部分 (CP, A) 和不可逆部分 (CP, IsoK) 2部分。因此能把聚合物熔融过程中相互重叠的熔融过程和重结晶过程更好的分离开来, 给我们提供更多的信息。
1 实验部分
1.1 样品的制备
PET/SiO2, PET/At纳米复合物都是通过原位聚合合成的。两种纳米粒子在聚合物中的质量分数分别是0.5%和2%。聚合物的质均分子量大约是25000~30000g/mol。纳米粒子的尺寸在10纳米左右, 均匀的分散在聚合物基体中。
1.2 测试
本实验所有的热处理以及测量都是在配备了冷却机的Perkin-Elmer Pyris Diamond DSC (Pyris software 6.5) 仪器上进行的。用来测量的样品大约3~4mg, 封装在铝盘中。所有的测量都是在氮气氛围下进行的。
在测量时, 首先, 所有的样品 (PET/0.5%SiO2, PET/2%SiO2, PET/0.5%At, PET/2%At) 加热到280℃, 并保持5min, 以消除以前的热历史。然后, 快速 (防止降温过程中的结晶) 降温到215℃, 并在215℃下保持一定时间 (5、10、30min) 。当结晶时间结束后, 开始升温并测量。本实验SDSC的3个主要参数设置如下:加热步长为1℃, 等温时间为1min, 基础升温速率为5℃/min。
2 结果与讨论
图1是PET/0.5%SiO2和PET/0.5%At在215℃下结晶一定时间的SDSC熔融曲线的可逆部分。从图1可知, PET纳米复合物在熔融过程中都出现双峰。无论PET纳米复合物在215℃下结晶时间的长短 (5、10、30min) , 双峰的峰位基本固定, 就是强度有所变化。对PET/0.5%SiO2来说, 低温峰在247.8℃附近, 高温峰位于254.7℃;而对于PET/0.5%At, 低温峰则升高到250.4℃, 高温峰则达到258.9℃。随着结晶时间的增加, 低温峰强度是逐渐增加的 (虽然变化不明显) , 而高温峰强度则是逐渐减小的。无论是低温峰还是高温峰, PET/0.5%At的峰强都要强于PET/0.5%SiO2, 而峰位则移向更高温。
图2是PET/0.5%SiO2和PET/0.5%At在215℃下结晶一定时间的SDSC熔融曲线的不可逆部分。图2中各重结晶峰的峰位以及峰面积经过计算后列在表1中。从表1中我们可以看出, 随着结晶时间的增加, PET纳米复合物的重结晶峰峰位逐渐移向高温, PET/0.5%SiO2从248.6℃移向249.3, PET/0.5%At则从251.9移向252.4;重结晶峰峰面积逐渐减小, PET/0.5%SiO2从1.29减小到1.17, PET/0.5%At从1.68减小到1.33。当PET纳米复合物在215℃结晶相同时间时, PET/0.5%At无论峰位还是峰面积都要比PET/0.5%SiO2高。
图3与图4分别是不同含量纳米粒子PET复合物的SD-SC曲线的可逆部分和不可逆部分。
从图3可知, 对于同一种纳米复合物, 随着纳米粒子含量的增加, 低温峰强度是减小的而高温峰强度是增大的。当纳米粒子含量相同时, PET/At双峰的强度以及峰位都要高于PET/SiO2。但是当纳米粒子含量从0.5%增加到2%时, PET/At双峰强度的变化幅度明显小于PET/SiO2, PET/SiO2峰强度有一个突变。图4中各重结晶峰峰面积经计算列于表2中。
3 讨论
对于纳米粒子含量为0.5%的PET复合物, 随着在215℃等温结晶时间的增加, 低温峰强度逐渐增加而高温峰强度逐渐减小。这主要是由于, 当结晶时间增加时, PET纳米复合物中由于纳米粒子的束缚而运动缓慢的分子链也可以规整排列从而结晶, 所以结晶度有所提高。因此, 低温峰随着结晶时间的增加强度逐渐增加。
纳米粒子含量从0.5%增加到2%时, 低温峰强度减小而高温峰强度增大。这主要是由于, 纳米粒子含量增加, 对分子链的束缚增大, 减小了分子链的活动能力, 从而使PET纳米复合物在215℃的结晶度有所下降;当在熔融重结晶时, 由于温度的升高, 分子链获得更多的能量, 足以克服纳米粒子的束缚进行规整排列结晶, 所以重结晶随着纳米粒子含量的增加而增加 (表2) 。
PET/At的双峰强度以及峰位都高于PET/SiO2。这主要由于At (凹凸棒) 是棒状一维结构, 而SiO2是圆球状零维结构。一维结构可能有利于PET分子链沿着一定方向取向, 当结晶时, 这同一取向的分子链更易规整排列形成晶体。
当纳米粒子含量从0.5%增加到2%时, PET/At双峰强度的变化幅度明显小于PET/SiO2, PET/SiO22峰强度有一个突变。这主要是由于SiO2含量达到2%, PET纳米复合物中形成缠结网络, 对分子链的束缚更大。熔融重结晶时, 由于温度升高, 分子链获得足够能量克服束缚形成结晶。而PET/2%At则没有形成缠结网络。这可能是由于纳米粒子的形态结构决定的。
4 结论
PET纳米复合物在熔融过程中出现双峰, 这主要是由于熔融重结晶引起的。低温峰主要是由于等温结晶时形成的晶体熔融引起的, 而高温峰则是由熔融过程中形成的重结晶晶体的熔融导致的;纳米粒子含量增加, 结晶度降低, 熔融重结晶增加;一维结构的At (凹凸棒) 有利于PET分子链沿着一定方向取向, 结晶度增加;SiO2含量达到2%, PET纳米复合物中形成缠结网络。
参考文献