第5章-无机材料仿生合成技术ppt课件.ppt

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1、第5章无机材料仿生合成技术5.1无机材料的仿生合成5.2仿生合成的实例自组装法自组装是在无人为干涉条件下，组元通过共价键等作用自发地缔结成热力学上稳定、结构上确定、性能上特殊的聚集体的过程。自组装过程一旦开始，将自动进行到某个预期终点，分子等结构单元将自动排列成有序的图形，即使是形成复杂的功能体系也不需要外力的作用。5.1无机材料的仿生合成人类探索自然的历程经历了数千年,然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6亿年前的单细胞组合开始,造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽,直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今

2、天的人类仿造天然的灵感。为什么具有生物活性？具有不同的结构和形貌？生物矿化生物矿化：是指在生物体内形成矿物质的过程。生物矿化有两种形式。一种是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间文石。另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成。生物矿化的类型：控制矿化和诱导矿化。生物矿化可分为四个阶段：有机大分子预组织。在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境。界面分子识别。在已经形成的有大分子组装体控制下无机物从溶液中，在有机/无机界面上成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极

3、性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。生长调制。无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时，形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。细胞加工。在细胞参与下亚单元组装成高级的结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。这四个方面给无机复合材料的合成提出了重要的途径，即先形成有机物的自组装体，无极先驱物在自组装聚集体于溶液相界面处产生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成复合体，将有机模板去除后即得到有组织的具有一定形状的无机材料。仿生合成技术简介仿生：通常指模仿或利用生物体结构，生化

4、功能和生化过程的技术。把这种技术用到材料设计，或用天然生物合成的方法获得所需要的材料，如制备具有蜘蛛牵引丝强度的纤维；制备具有海洋贝类韧性的陶瓷或贝类结构的复合材料等。仿生合成：模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机材料合成，又叫做有机模板法可以分为“硬模板”法和“软模板”法一、“硬模板”法硬模板多是利用材料的内表面或外表面为模板，填充到模板的单体进行化学或电化学反应，通过控制反应时间，除去模板后可以得到纳米颗粒、纳米棒，纳米线或纳米管，空心球和多孔材料等。经常使用的硬模板包括分子筛，多孔氧化铝膜（AAO），径迹蚀刻聚合物膜，聚合物纤维，纳米碳管和聚苯乙烯微球等

5、等。与软模板相比，硬模板在制备纳米结构方面有着更强的限域作用，能够严格控制纳米材料的大小和尺寸。但是，“硬模板”法合成低维材料的后处理一般都比较麻烦，往往需要用一些强酸、强碱或有机溶剂除去模板，这不仅增加了工艺流程，而且容易破坏模板内的纳米结构。另外，反应物与模板的相容性也影响着纳米结构的形貌。(1)径迹蚀刻聚合物膜和多孔氧化铝膜径迹蚀刻聚合物膜主要是通过核裂变碎片轰击聚合物膜使其表面出现许多损伤的痕迹，再用化学腐蚀的方法使这些痕迹变成孔洞得到的。这种模板的特点是孔洞呈圆柱型，很多孔洞与膜面斜交，与膜面的法线的夹角可达34度，因此在厚膜内有孔通道交叉现象，总体来说，孔分布

6、是无序的，孔的密度大致为109个/cm2。多孔氧化铝是利用高温退火的高纯铝箔在一定温度下，用一定浓度的草酸、硫酸或磷酸溶液中控制在一定的直流电压下阳极氧化一定的时间后得到的。该模板的结构特点是孔洞为六边形或圆形且垂直于膜面，呈有序平行排列。孔径在5至200nm范围内调节，孔密度可高达1011个/cm2。Shi等人在多孔氧化铝膜中利用噻吩的电化学氧化聚合制备了聚噻吩微米／纳米管阵列，并用拉曼光谱证明了管的外表面上存在分子链的取向。AAAO模板的形貌结构A)电解液为1.2M的硫酸,温度0℃,电极电压10V,时间1h.B)电解液为0.2M的硫酸,温度25℃,电极电压30V,时间

7、1h.C)电解液为1.2M的硫酸,温度0℃,电极电压40V,时间1h.184nm477nm666nmBCAAO模板法制备纳米材料与纳米结构的工艺流程图利用AAO模板合成纳米材料碳纳米管的AAO模板合(b)(d)(d)取向碳纳米管有序阵列膜形貌与结构的电镜照片。(a)完全溶去氧化铝后的由表面碳膜固定和保持的碳纳米管的低倍SEM照片；(b)从AAO模板解离的碳纳米管束的SEM照片(聚丙烯腈(PAN)路线，750oC)二、“软模板”法软模板通常为两亲性分子形成的有序聚集体，主要包括：胶束、反相微乳液、液晶等。两亲性分子中亲水基