表界面物性测试

【提问10】：半导体纳米材料的催化领域应用的进展有哪些？
《光解水制氢半导体光催化材料的研究进展》
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【提问11】：我国纳米材料最新研究进展

【提问11】：我国纳米材料最新研究进展
我国新型纳米材料用于肿瘤治疗取得进展
中国科学院理化所纳米材料可控制备与应用研究组在唐芳琼研究员的带领下，在恶性肿瘤治疗研究方面取得新进展，相关研究论文日前发表在《纳米技术（《Nanotechnology》）。     
恶性肿瘤已经成为人类第二大致死疾病，每年全世界约有700万人死于癌症。目前癌症的临床治疗主要是通过手术、放疗、化疗等方法。如何降低这些治疗技术对身体机能的不可逆损伤，提高癌症治愈率，改善患者生存质量是癌症治疗过程中亟待解决的问题。针对该难题，唐芳琼研究小组设计研发了一种有机无机复合智能结构、具备特殊性能的新型纳米材料——金壳包覆聚苯乙烯纳米颗粒。该材料具有高吸收截面、高光热转化效率。经过静脉注射后，金壳如同装配了肿瘤制导系统，能够自动搜寻并富集在肿瘤部位；经近红外光照射后，通过吸收近红外激光能量，能迅速升温“热死”肿瘤细胞。考察动物实验结果表明，对肺癌的抑瘤率高达55%。
      目前，该研究组正在研发另一种新型多功能纳米金壳复合材料，已初见成效，该材料能够集光热疗、化疗、靶向、缓控释“四位于一体”，高效杀死肿瘤细胞。
大连纳米荧光海洋无毒防污涂料通过鉴定
大连海事大学张占平教授主持研究的“纳米荧光海洋无毒防污涂料的研制”通过了交通运输部科技教育司主持召开的研究项目验收鉴定。
该项目成功地开发了以PTFE氟树脂复合纳米二氧化钛改性长余辉发光材料的纳米荧光海洋无毒防污涂料，系统地研究了海洋污损生物在纳米荧光海洋无毒防污涂料上的附着行为，海生物与光照、底质颜色之间的关系，揭示了涂层表面光催化作用与细菌生物膜的形成规律，为研制新型无毒防污涂料提供了理论、实验基础和科学依据。采用纳米-荧光复合技术开发的纳米荧光海洋无毒防污涂料具有创新性，已申请中国发明专利3项，发明了防污涂料的实验室快速评价方法，获得实用新型专利授权2项。经专家评审认为：该项研究对新型海洋防污涂料的设计开发具有重大理论意义和实用价值。
复旦大学透明隔热纳米玻璃涂膜通过国家检测
在上海市纳米科技与产业发展促进中心和上海市科委的世博科技专项支持下，由复旦大学国家教育部先进涂料工程研究中心组建的研究团队成功研制出的一种透明隔热玻璃涂膜，不久前在上海通过国家权威检测机构的技术指标检测。
玻璃幕墙因为其美观而被越来越多的城市建筑采用。玻璃幕墙虽然好看，但是却有缺点，那就是玻璃幕墙散热快，保暖性差。因此在严寒的冬天，这种玻璃幕墙反而不如普通幕墙。最近，有关机构研究出了一种新成果：一种新型的智能透明隔热涂膜可以帮玻璃具有冬暖夏凉的功能。
这种玻璃涂膜采用纳米半导体材料，通过无机掺杂技术制成。在不降低玻璃透明度的前提下，夏天节能降温幅度达到3℃-9℃，冬天可提高室温2.5－5℃。同时，这种智能透明隔热涂膜的价格仅为进口玻璃贴膜的十分之一，且施工方便，可直接喷涂，并快速干燥成膜。该技术已申请国家发明专利一项，通过了国家权威检测机构的技术指标检测。
据调查，室内空调产生的冷气或热气，有三分之一是被玻璃幕墙放跑的。为了节能，国外科学家发明了玻璃隔热贴膜，既能保证玻璃的高清晰度，又可以完全靠反射阻隔产生热量的红外线，不产生二次辐射。但其制备工艺复杂，价格昂贵。
【提问12】：有机半导体纳米线的生长机制有哪些？

纳米线 是一种纳米尺度(10−9 米)的线。 换一种说法，纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。这种尺度上，量子力学效应很重要,因此也被称作"量子线"。根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线（如：Ni，Pt，Au等），半导体纳米线（如：InP，Si，GaN 等）和绝缘体纳米线（如：SiO2，TiO2等）。分子纳米线由重复的分子元组成，可以是有机的（如：DNA）或者是无机的（如：Mo6S9-xIx）。
　　作为纳米技术的一个重要组成部分，纳米线可以被用来制作超小电路。
　　典型的纳米线的纵横比在1000以上,因此它们通常被称为一维材料。纳米线具有许多在大块或三维物体中没有发现的有趣的性质。这是因为电子在纳米线中在横向受到量子束缚，能级不连续。这种量子束缚的特性在一些纳米线中（比如碳纳米管）表现为非连续的电阻值。这种分立值是由纳米尺度下量子效应对通过纳米线电子数的限制引起的。这些孤立值通常被称为电阻的量子化.在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器，
硒微米棒的生长机制讨论通过对显微镜照片的分析，提出硒微米棒的三步生长机制：溶解一二次成核一取向生长，生长过程示
   三步生长机制首先是硒微米球的溶解，在溶剂热条件下，硒球受到溶剂乙醇分子的进攻，表面硒原子逐渐溶解进入溶液．同时，硒球表面凹凸部分被活化，形成诸多活性点；接着是硒的二次成核与晶化，乙醇溶液中的Se原子通过扩散到硒球表面活性点处，迅速二次成核和生长在球表面上生长出小毛刺；最后是硒纳米棒的取向成长，由于单晶se沿方向生长所需的能量最低，具有沿方向择优生长的生长习性，溶液中的se原子不断地迁移到毛刺尖端沿方向成长，直到形成硒纳米棒．随着反应时间的延长，硒球仍不断地溶解，不断的晶化成核，硒纳米棒不断的长大，直到硒球被消耗殆尽，从而得到硒微米棒.
  纳米线的制备
　　当前，纳米线均在实验室中生产，尚未在自然界中发现。纳米线可以被悬置法，沉积法或者由元素合成法制得。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生。沉积纳米线指纳米线被沉积在其他物质的表面上：例如它可以是一条覆盖在绝缘体表面上的金属原子线.
　　另一种方式产生纳米线是通过STM的尖端来刻处于熔点附近的金属。这种方法可以形象地比作"用叉子在披萨饼上的奶酪上划线"。
　　一种常用的技术是VLS合成法（Vapor-Liquid-Solid）。这种技术采用激光融化的粒子或者一种原料气硅烷作源（材料),然后把源(材料)暴露在一种催化剂中。对纳米线来说，最好的催化材料是液体金属（比如金）的纳米簇。它可以被以胶质的形式购买，然后被沉积在基质上或通过去湿法从薄膜上自我组装。
　　源（材料）进入到这些纳米簇中并充盈其中。一旦达到了超饱和，源（材料）将固化，并从纳米簇上向外生长。最终产品的长度可由源材料的供应时间来控制。具有交替原子的超级网格结构的化合物纳米线可以通过在生长过程中交替源（材料）供应来实现。
【提问13】：纳米线的导电性的详细原因？

【提问13】：纳米线的导电性的详细原因？
纳米线的导电性预期将大大小于大块材料。这主要是由以下原因引起的。第一，当线宽小于大块材料自由电子平均自由程的时候，载流子在边界上的散射现象将会显现。例如，铜的平均自由程为40nm。对于宽度小于40nm的铜纳米线来说，平均自由程将缩短为线宽。
同时，因为尺度的原因，纳米线还会体现其他特殊性质。在碳纳米管中，电子的运动遵循弹道输运（意味着电子可以自由的从一个电极穿行到另一个）的原则。而在纳米线中，电阻率受到边界效应的严重影响。这些边界效应来自于纳米线表面的原子，这些原子并没有像那些在大块材料中的那些原子一样被充分键合。这些没有被键合的原子通常是纳米线中缺陷的来源，使纳米线的导电能力低于整体材料。随着纳米线尺寸的减小，表面原子的数目相对整体原子的数目增多，因而边界效应更加明显。
更进一步，电导率会经历能量的量子化：例如，通过纳米线的电子能量只会具有有离散值乘以朗道常数G = 2e2 / h （这里 e是电子电量，h是普朗克常数)。电导率由此被表示成通过不同量子能级通道的输运量的总和。线越细，能够通过电子的通道数目越少。
把纳米线连在电极之间，我们可以研究纳米线的电导率。通过在拉伸时测量纳米线的电导率，我们发现：当纳米线长度缩短时，它的电导率也以阶梯的形式随之缩短，每阶之间相差一个郎道常数G。
因为低电子浓度和低等效质量，这种电导率的量子化在半导体中比在金属中更加明显。量子化的电导率可以在25nm的硅鳍中观测到(Tilke et. al., 2003)，导致阀电压的升高。
【提问14】纳米材料的结构通常如何表征？

【提问14】纳米材料的结构通常如何表征？
透射电镜（结合图象分析仪）法，光子相关谱（PCS）（或称动态光散射），比表面积法以及X射线小角散射法（SAXS）等四种。
      1、透射电镜法：透射电镜是一种直观、可靠的绝对尺度测定方法，对于纳米颗粒，它可以观察其大小、形状，还可以根据像的衬度来估计颗粒的厚度，显微镜结合图像分析法还可以选择地进行观测和统计，分门别类给出粒度分布。如果将颗粒进行包埋、镶嵌和切片减薄制样，还可以对颗粒内部的微观结构作进一步地分析。当对于所检测的样品清晰成像后，就是一个测量和统计的问题。一种作法是选取足够多的视场进行照相，获得数百乃至数千个颗粒的电镜照片，再将每张照片经扫描进入图象分析仪进行分析统计。按标准刻度计算颗粒的等效投影面积直径，同时统计落在各个粒度区间的颗粒个数。然后计算出以个数为基准的粒度组成、平均粒度 、分布方差等，并可输出相应的直方分布图。在应用软件中还包括个数分布向体积分布转换的功能，往往将这两种分布及相关的直方图和统计平均值等都出来。该方法的优点是直观，而且可以得到颗粒形状信息，缺点是要求颗粒要处于良好的分散状态，另外，由于用显微镜观测时所需试样量非常少，所以对试样的代表性要求严格。因此取样和制样的方法必须规范；而且要对大量的颗粒的粒径进行统计才能得到粒度分布值或平均粒径。
      2、光子相关谱法：该方法是基于分子热运动效应，悬浮于液体中的微细颗粒都在不停地作布朗运动，其无规律运动的速率与湿度和液体的粘度有关，同时也与颗粒本身的大小有关。对于大的颗粒其移动相对较慢，而小的颗粒则移动较快。这种迁移导致颗粒在液体中的扩散，对分散于粘度为η的球形颗粒，彼此之间无交互作用时，它的扩散系数D同粒径x之间的关系满足一关系。而当一束激光通过稀薄的颗粒悬浮液时，被照射的颗粒将会向四周散射光。在某一角度下所测散射光的强度和位相将取决于颗粒在光束中的位置以及颗粒与探测器之间的距离。由于颗粒在液体中不断地作布朗运动，它们的位置随机变动，因而其散射光强度也随时间波动。颗粒越小，扩散运动越强，散射光强度随即涨落的速率也就越快；反之则相反。光子相关谱（PCS）法这正是从测量分析这种散射光强的涨落函数中获得颗粒的动态信息，求出颗粒的平移扩散系数而得到颗粒得粒度信息的，所以又称为动态光散射法。光子相关谱法粒度分析的范围约3nm～1000nm。测试速度快，对粒度分布集中且颗粒分散好的样品，测量结果重复性好。该方法缺点是要求样品要处于良好的分散状态，否则测出的是团聚体的粒度大小。
    3、比表面积法：粉末的比表面积为单位体积或单位质量粉末颗粒的总表面积，它包括所有颗粒的外表面积以及与外表面积相联通的孔所提供的内表面积。粉末的比表面积同其粒度、粒度分布、颗粒的形状和表面粗糙度等众多因数有关，它是粉末多分散性的综合反映。测定粉末比表面积的方法很多，如空气透过法、BET吸附法、浸润热法、压汞法、X射线小角散射法等，另外也可以根据所测粉末的粒度分布和观察的颗粒形状因子来进行计算。在以上方法中，BET低温氮吸附法是应用最广的经典方法，测量比表面积的BET吸附法，是基于测定样品表面上气体单分子层的吸附量。最广泛使用的吸附剂是氮气，测定范围在1—1000m2/g，十分适合对纳米粉末的测定；该方法的优点是设备简单，测试速度快，但它仅仅是纳米粉末的比表面积的信息，通过换算可以得到平均粒径的信息，但不能知道其粒度分布的情况。
    4、X射线小角散射法：X射线小角散射（SAXS）系发生于原光束附近0～几度范围内的相干散射现象，物质内部1至数百纳米尺度的电子密度的起伏是产生这种散射效应的根本原因。因此SAXS技术可以用来表征物质的长周期、准周期结构以及呈无规分布的纳米体系。广泛地用于1～300nm范围内的各种金属和非金属粉末粒度分布的测定，也可用于胶体溶液、磁性液体、病毒、生物大分子以及各种材料中所形成的纳米级微孔、GP区和沉淀析出相尺寸分布的测定。SAXS的结果所反映的为一次颗粒的尺寸：所谓一次颗粒，即原颗粒，可以相互分离而独立存在的颗粒。很多颗粒粘附在一起形成团粒，这在纳米粉末中是相当常见的。如不能将其中的颗粒有效地分散开来，它们将会作为一个整体而沉降、遮挡和散射可见光，其测试结果势必为团粒尺寸的反映。而SAXS测试结果所反映的既非晶粒亦非团粒而是一次颗粒的尺寸。测试结果的统计代表性：检测结果是否具有代表性，当取样合理时，主要是看测量信息来源于多少个颗粒。对小角散射而言就是要看测量时X射线大约照射上多少颗粒，根据上述参数可以算出X射线辐照体积内的颗粒数近似为1.8×10的10次方个。
【提问15】纳米材料在通信领域有何应用？

纳米材料在通信领域的应用，建立在微纳米技术基础上的微电子机械系统（MEMS）技术正在得到普遍的重视，在无限终端领域对微型化，高性能和低成本的追求迫使大家普遍期待能将各种功能单元集成在更小的单一芯片上，即实现SOC(systemOnachip)，而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器，滤波器，耦合器等片外分离单元大量存在。其他如胶体晶体光纤等方面的应用也倍受关注，总之在未来的十年，纳米技术对于通信行业必将带来极其深远的影响。
【提问16】关于纳米阵列的表面增强拉曼散射的基本知识讲讲？

【提问16】关于纳米阵列的表面增强拉曼散射的基本知识讲讲？
众所周知,要获得高质量的SERS 谱,其金属基底表面必须具有一定的粗糙度。然而,各种制备方法获得的金属粗糙表面一般是不均匀的,这使得在表面不同激光点上得到表面增强信号不一样。过去十年来,为了克服这一缺点并进一步提高SERS 活性,人们尝试使用各种方法来制备有序的金属纳米粒子阵列。然而,只有金纳米粒子的自组装技术比较理想。因为它能在较大面积上得到相对比较均匀的表面,从而使制备均匀、有序的SERS 基底成为可能。SERS 强度随着金纳米粒子的形状从球形到蝌蚪形
再到珍珠链形发生较大变化,后二者具有较明显的避雷针效应。另外还应指出,有序的金属纳米阵列是研究SERS 的较理想基底。反之, SERS 光谱也可以用来表征纳米粒子的电子性质。
【提问17】纳米材料在生物医药上有何应用？

【提问17】纳米材料在生物医药上有何应用？
在医药领域：控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。
在生物领域：纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。
【提问18】纳米在催化方面的应用？

【提问18】纳米在催化方面的应用？
自80年代以来，纳米材料的发展再度引起国内外广大科技工作者的广泛关注。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸一般在1～100nm之间，也有人称它为超微粒子。当小粒子尺寸达到纳米数量级时，其本身具有量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的应用前景。同时，也由于纳米粒子的大比表面积和高表面活性，使其特别适用于作为一种新型有效的催化剂材料。
纳米催化剂的应用尝试
纳米催化剂的应用范围很广：有机合成、医药、废水处理、汽车尾气处理以及燃烧材料等。这些年来，科学工作者们在纳米微粒催化剂的研究方面已取得了一些结果和进展，显示了纳米粒子催化剂的优越性 。
3.1 加氢催化反应
催化加氢是一类极其重要的化学反应，探索和研究用于这类反应的新型催化剂具有重要意义，研究工作者们已在纳米催化剂材料的应用与开发上作了各种尝试。
3.1.1　乙酰乙酸甲脂加氢反应
T. Harada发现，具有旋光性酒石酸改性的Ni-超微粒子是一种能区分对映面的加氢催化剂。虽然一般氧化镍粉还原的金属镍也能使乙酰乙酸甲脂加氢成具有光学活性的3-羟基-丁酸甲脂，但要达到同一收率，选用镍超细微粒要比一般镍快15倍。
3.1.2 2－苯丙烯醛加氢还原成肉桂醛
中国科学院北京研究所运用聚合稳态铂纳米簇，取得了令人意想不到的效果。他们发现将纳米级铂簇在室温下固定于不同的支持物上，被支持的铂纳米簇显示出比其先导物（稳态聚合胶状铂纳米簇）更好的催化性能，特别是试用于丙烯醛加氢还原成肉桂醛这一反应中时，得到了很高的产率。
3.1.3 双烯烃催化加氢反应
此类反应使用多孔性树脂（亚氨基Cr-双乙酸盐官能团的聚苯乙烯基树脂）—金属(M，M＝Na+、Al3+、Mg2+)作为超微钯的载体，所得催化剂用于双烯烃加氢时，催化活性优异，金属粒子可重复使用，而且简便。双烯烃的加氢反应，催化活性的顺序为：Na+>Mg2＋ >A13+。
3.1.4 三氟化苯乙酮加氢还原
中科院北京化学研究所用聚合稳态钯纳米簇催化还原2，2，2—三氮化苯乙酮成(R)-1-苯基-2,2,2-三氮化乙醇。此反应是在分散型聚合乙烯基吡啶存在下用稳态钯纳米簇催化还原进行的。而且催化剂不影响此反应方向选择性，与传统钯催化剂比较，其最佳氢压为2.0MPa，并且以邻二氯苯和乙醇的体积比为20﹕1的混合物做溶剂。
3.2　其它催化反应
纳米粒子以其独特的性质受到了科学家们的关注，它在催化中的应用更为催化工作者展示了一个趣味盎然、富有活力的研究领域。目前可以看到，纳米粒子对催化氧化、还原和裂解反应都具有很高的活性和选择性，对光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化活性，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。
大量的试验发现，火箭发射的固体燃料推进剂中，添加约1%超细铝或镍微粒，每克燃料的燃烧热可增加一倍；超细硼粉-高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂。以粒径小于0.3μm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率是传统镍催化剂的10倍。超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂，超细Fe、Ni与γ-氧化铁混合轻烧结体可以代替贵金属作为汽车尾气净化的催化剂，超细Ag粉可以作为乙烯氧化的催化剂，超细Fe3O4微粒作为催化剂，可以在低温下将CO2分解为Ｃ和H2O，超细铁粉可以在苯气相热分解(1000～1100℃)中起成核的作用而生成碳纤维。Au超微粒子固载在Fe2O3、CO3O4、NiO中，在-70℃时就具有较高的催化氧化活性。

【提问19】纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用?

半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极管（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。
从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。