科技论坛 ・７３・ 特殊形貌的新型纳米材料研究 李晓娜 （吉林农业工程职业技术学院，吉林四平１３６０００） 摘要：众所周知，具有特殊形貌结构的纳米材料往往会比普通的纳米材料表现出更加卓越的性能，且其性能受到其组成、结构以及 合成方法都密切相关。在本文中，阐述了这种特殊的纳米材料的发展状况和主要特点，并举例介绍了目前用于可控合成这种纳米材料的 几种主要方法。 关键词：特殊形貌；纳米材料；制备方法 １特殊形貌的纳米材料的发展及特点 究表明，生物体能够在较为温和的自然环境中合成出目前技术无法 特殊形貌纳米材料是当今材料科学领域中广泛被关注的一种 制备或只能依靠苛刻的反应条件才能制备的纳米材料。而通过对生 新型纳米材料，通常指在微、纳米连续尺度范围内具有复杂的形态 物体的观察、分析，人们发现了一些反应过程中的重要规律，并有效 结构且呈现出多层次分布的材料，主要包括：孔结构分级和形貌分 地将其应用到了构建新型材料之中。例如，蜘蛛能够在常温下将水 级。而这些特有的微观结构，也使得特殊形貌纳米材料大多都具有 溶液中的可溶性蛋白质变成不可溶性的蛋白质纤维束。我们可以模 些独特的功能特性。 拟其形成的过程，改善目标材料的结构和性能。 比如，在自然界中广泛分布着的木材就是一种具有特殊形貌的 功能仿生是指研究自然生物的客观功能、原理以及特征，并从 纤维态复合物。这种复合纤维态物质可以表现出一些特殊的性能， 中获得启示，进而促进材料功能的改进或新型材料的功能设计。例 促使组成单体以及材料内部在各个分级层次上的结构达到一种调 如，传感器的研制便是利用模仿众多生物的功能的成功案例。而基 变协同的效果。 于人手皮肤的触觉以及肌肉伸缩的原理，意大利和瑞典的科学家们 然而，经过长期以来的进化，在自然界中已然形成了众多结构 联合研制了一种特殊的传感器阵列，通过仿生感应系统和反馈信号 精妙、功能奇异的生物结构，这些都成为了设计和制备具有特殊形 控制的机械联动，实现了对各种复杂形貌物体的感知、抓放和搬动。 貌功能材料一种的启迪。如果将具有非常卓越的光、电、磁以及生物 重要的是，在特殊形貌纳米材料的合成中，利用双亲物的设计 功能的无机纳米粒子在纳米尺度上进行可控组装，必定是纳米科技 合成也屡见不鲜，主要是将双亲分子作为基本结构单元来进行自组 领域基础科学和应用技术的又一个重大突破。 装模板合成。而用到的双亲分子主要包括：表面活性剂、类脂物、大 而目前，这样应运而生的特殊形貌的纳米材料也确实已在电 量嵌段聚合物等。这些物质均具有两个性质相反的基团（亲水集团 气、化工、纺织、国防等众多领域中初露锋芒［１］。 和疏水性集团）。 ２特殊形貌纳米材料的主要制备方法 而利用双亲分子在选择性溶剂中聚集成的诸如纳米胶束或双 材料仿生合成法： 分子层的纳米聚集体，以其作为为模板剂，组装合成具有特殊形貌 特殊形貌纳米材料在众多领域的广泛应用，吸引了越来越人的 的功能材料。而这样的例子在生产、生活中更是随处可见。比如，人 投身于特殊形貌纳米材料的设计和研发中。而对于其合成方法的研 们可以利用表面活性剂来设计合成许多新型功能材料。所谓表面活 究也日趋成熟，逐渐形成了一个自己的系统，即材料仿生合成法和 性剂是指含同时有亲水基和亲油基团双亲性分子。这些物质在分级 一防止原生 双亲物或胶体模板合成法。第一，材料仿生合成法，也被称为有机模 纳米材料的合成过程中能大大降低纳米微粒的表面张力，板合成法，即利用以多肽作为基本结构构筑单元的生物大分子来仿 粒子团聚，同时实现粒子的生长。最重要的是，表面活性剂能够 生进行合成圆。材料仿生合成法是近年来发展起来的一种新的合成 凭借自身的自组装特性，在溶液中形成纳米尺度范围的胶团、微乳、 方法，旨在模拟生物矿化中无机物在有机物调制下的形成机理，首 液晶等自组装体，为纳米粒子的生长提供理想的模板。上述原理广 先形成有机物模板，以此诱发无机先驱物在模板与溶液界面处产生 泛被用于制备具有特殊形貌纳米材料，也就是我们所熟悉的软模板 化学反应，进而在模板诱导与抑制双重机制下形成无机一有机复合 法。 而且，人们可以利用自组装嵌段大分子作为特殊形貌纳米材料 体。最后，再用一些后续的合成手段将复合体中的有机模板去除，即 可得到有组织的具有一定特殊形貌的无机材料ｌ ３】。材料仿生主要包 的结构导向剂，不仅可以有效地控制纳米粒子尺寸及分布，同时使 括：结构仿生、过程仿生以及功能仿生。其次，结构仿生是指模仿天 目标材料具有更高的稳定性。这种方法主要是利用化学键把两条不 然生物材料的一些独特的结构特征，制备出具有类天然生物材料结 同的大分子链首尾相接，形成简单的二嵌段大分子，在引入到选择 通过自组装形成结构迥异而有序的纳米聚集体。例如， 构特征的纳米材料。主要通过人们对生物体进行分析，并找出其在 性溶剂之中，特定环境下所形成的微观与宏观之间的紧密关系，最终提炼出可用 人们已成功利用利用聚苯乙烯和离子液制备出了具有特殊形貌和 模型并应用于目标材料的设计合成。目前，对这方面的仿生研究已 明确孔径的多孔氧化硅。参考文献 初具进展，人们把蜂巢、贝壳等生物材料的结构和力学性能成功地 复制到目标纳米材料中，如效仿木纤维的多孔结构而制备的生态陶 ［１］Ｓｔｅｉｎ Ａ．，Ｌｉ Ｆ．，Ｄｅｎｎｙ Ｎ．Ｒ．．Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ Ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｏｐａｌｓ，Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ 瓷复合材料、仿植物纤维结构的增强体复合材料等，这些研究有效 Ｃｒｙｓｔａｌ地对其结构和功能进行修饰，为具有特殊形貌的纳米材料的合成提 Ｓｈａｐｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ，２００８，２０（３）：６４９—６６６． 供了一个很好的思路。例如，云南大学的王家强教授科研组利用了 ｆ２］Ｓｅｌ ０．，Ｋｕａｎｇ Ｄ．，Ｔｈｏｍｍｅｓ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｄ ｐｏｌｙ— 云南得天独厚的物质条件，采用形态各异的植物果皮作为仿生模板 ｍｅｓｏ－ａｎｄ ｍａｃｒｏｐｏｒｅ ａ剂，设计合成出如一类具有拟植物果皮结构的二氧化钛催化材料， ｍｅｒ ｃｏｌｌｏｉｄ ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００６，２２（５）：２３ １ １－２３２２． 大大提高了材料本身的催化性。 ［３］Ｋｕａｎｇ Ｄ．，Ｂｒｅｚｅｓｉｎｓｋｉ Ｔ，Ｓｍａｒｓｌｙ Ｂ．Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃａ ｅｒｉｌｓａ ｗｉｔｈ ａ ｔｒｉｍｏｄａｌ ｐｏｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ．Ｊ． 然而，利用仿生合成法制备纳米材料也具有一定的局限性。即 ｍａｔ目标纳米材料的种类会受到生物大分子发展的严重制约。除此之 Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００４，１２６（３４）：１０５３４—１０５３５． 外，另一主要制约因素是生物大分子在纳米尺度上的结构调变难于 有效进行。对此，人们正尝试合成出与生物大分子具有相似性质的 模板剂，以弥补天然生物模板剂的一些局限。 而过程仿生是一种模拟生物体材料的形成过程的合成方法。研
