纳米自组装技术的应用

纳米自组装技术的应用

1纳米多孔材料的制备方法近年来，纳米颗粒材料在循环结构中引起了全世界科学家的兴趣和关注，成为研究的主题。原因是这种材料具有孔径可调控、结构有序、大表面积、异常磁性、催化作用、光学非线性效应和荧光增强效应等,并且它在催化、吸附、色谱分离、传感、电介质和微流体等方面都具有应用价值虽然它的制备方法很多,如插层法、接枝聚合法、溶胶-凝胶法、有机前驱体热解法、电化学腐蚀法和模板自组装法纳米多孔材料按孔径大小分为微孔、介孔和大孔类型,本文重点介绍制备周期介孔纳米硅晶材料等聚合物模板自组装技术。2纳米多孔材料的应用模板自组装是指在模板约束下,若干分子自动排列成有序的图形或复杂的功能体系,形成纳米结构材料。模板本身既是定型剂,又是稳定剂,改变其形状和尺寸即可实现结构的预期调控可以作为模板的材料有很多,如沸石、硅凝胶、DNA分子和细菌、多孔分子筛、碳纳米管、天然或合成的表面活性剂和高聚物分子等。不同形状、大小、功能的模板适用于制备不同领域的纳米多孔材料。纳米多孔硅是一种重要的纳米多孔材料,也是目前研究最多、应用最广的材料。多孔硅的光致荧光现象和电致发光现象,使其在光电子领域的应用展现了极其诱人的前景。此外,它在催化、环保、分离、吸附和传感系统方面也有着极广阔的应用。常用的制备多孔硅的模板有无机纳米多孔材料和有机高分子,前者如碳分子筛、碳纳米管等;后者如层状共聚物、表面活性剂、微乳液等。由于模板的结构和尺寸很大程度上决定了所得材料的结构和孔径,而这对材料的应用起着至关重要的作用,故本文将按照合成所使用的模板把最新的合成方法分为:有机高分子模板、无机模板和生物模板,现分别叙述如下。2.1有机高纯度模型有机高分子模板种类很多,且结构复杂多样,故所得纳米材料种类大大增加,性质和功能也得到进一步改善。(1)模式2:四丙基铵基聚合物模板合成法沸石是一种孔结构可控制的纳米多孔铝硅酸盐晶体,可以作为催化剂、离子分离剂和吸附剂等。而许多新型的沸石和相关的分子筛材料还是一维结构,且没有可以预定向的规则沸石多晶体,限制了它作为化学同分异构体分离剂以及在光学上的发展。一种解决方法是,在基质上通过限定预成型的沸石晶的化学连接可得到在一定程度上预定向的规则沸石多晶体具体方法为将涂有排列均匀的聚氨酯薄膜[如聚1,4-二异氰酸基苯(PDI)/1,4-二醇-2-丁炔(BDO)(PDI/BDO)500/G,或聚PDI/TBE(对苯二甲酸二乙酯)]的玻璃板浸入由摩尔比为7∶1.5∶330的四乙基正硅酸盐(TEOSO),四丙基铵基氢氧化物(TPA硅酸盐-1多晶聚氨酯模板合成方法和合成原理见图2,图3。具体过程为:聚氨酯链在反应温度下先被TPA这个发现使合成凝胶中的有机物不仅可以作为“结构导控器”制备一定形状、大小和网状结构的沸石和分子筛,还可以作为产物的“定位导控器”;为制备预定向的规则二维、三维沸石多晶开辟了新思路。这种方法将引起纳米沸石在材料、机械制造以及生物技术、环保、光学,化工、制药工业领域的一次革新。(2)化、转化作用可以用淀粉凝胶体、海绵状物和预成型的硅纳米粒子得到层状结构的大孔径海绵状单体或介孔/大孔薄膜此种材料表面积比一般的纳米多孔材料大,在催化、转化作用上有重要意义,例如处理机动车的尾气。此外,用它制造的膜反应器和纳米多孔滤膜结构高度有序,有助于提高分离效果。虽然这种材料也可通过双模板法制得,但淀粉凝胶模板合成法更有普遍意义:淀粉易得,成本低,容易加工处理,对环境没有污染,孔径和孔隙率可调控,孔结构形态多样化、孔径分布窄,材料品种多(多结晶的、有强氢键作用的共混高聚物),制备过程易连续化,而且可以制备多种层状无机材料。(3)多孔有机硅材料独特周期结构的介孔有机硅(PMO——periodicmesoporousorganosilicas)综合了周期性介孔材料的结构性质以及硅和有机基团的化学性质:有机基团使材料具有有机高分子的优点;硅土部分使材料具有亲水性和刚硬结构。然而过小的气孔尺寸(2~5nm)限制了其作为吸附剂和催化剂在许多方面的应用和发展。如生物催化要求材料有足够大的气孔以允许蛋白质或酶在母体的孔内透过。解决的方法是在酸性条件下,利用三层共聚物模板,通过适量1,3,5-三甲基苯(TMB)的添加得到扩大的孔径结构,制得大孔径(6~20nm)周期结构的介孔有机硅纳米粒子(较多TMB的添加得到呈六边形周期性排列的多孔有机硅)此种材料含有机官能团,易于改性和功能优化,因此可以广泛应用在各种复杂环境下,甚至高温等苛刻的条件下,同时可大大提高吸附、分离效果和催化能力。另外,此种有机硅材料具有周期性结构,可以应用在材料工业中制备更高要求的纳米材料。2.2无线结构(1)mwnts模板多壁碳纳米管(MWNT)可以作为多孔制成剂来获得多孔沸石单晶体MWNTs为模板的优点是能高度控制固体材料上孔径的大小和孔的空间排列。得到的纳米多孔材料,可以广泛应用在能源等方面上,如通过对材料结构的控制,可提高太阳集热器透明盖板表面反射膜的集热效率。(2)模板合成法250nm具有均一孔道结构分子筛做模板可制得孔径一致、排列整齐的纳米介孔硅材料(2~50nm)这种方法不足之处在于模板不易制取,成本较高,但所得材料结构高度整齐且孔径大小一致,适应于对材料结构要求高的特殊领域。且分子筛种类多,性质易调变,使其在小分子气体分离(合成氨中O2.3生物模型大的生物分子可作为模板合成纳米结构的金属和无机化合物。其良好的化学性质和结构的不均一性,能实现对材料形状和大小的精确控制。(1)金属离子检测烟草花叶病毒(TMV)是一种非常稳定的螺旋形管状RNA:外部直径为18nm,内部为一包围着柔软蛋白质的直径仅4nm的管道。利用蛋白质层特殊位置上的选择性化学基团作金属离子配体,先用钯Pd(II)或铂Pt(II)离子活化TMV,然后在镍和钴金属离子溶剂中沉降,在中心管道中制得直径3nm,长600nm的纳米线。得到的纳米线非常细,纵横比很高,且病毒粒子的存在有着重要的意义,如可利用生物化学和微生物技术得到化学改进的病毒粒子以及促使内部管道外蛋白质层突变,从而制备不同形状和大小的金属纳米线。TMV模板的优点在于实现了完全“自下而上”的合成路线,可广泛应用在材料工业上(2)多孔模糊剂的集成方法在纳米管上组装富含组氨酸的有序肽链,肽的生物识别可以选择金离子形成纳米晶种3有机高分子模板法