尖端材料與膜模擬化學：第一章 引言

尖端材料與膜模擬化學基本內容第一章引言

1.1什么是尖端材料？

1.2尖端材料的重要性

1.3膠體化學的基本原理

1.4尖端材料模擬方法的基本理論

1.5范圍第二章小區(qū)的形成與表征

2.2單分子層或Langmuir膜

2.3Langmuir--Blodgett膜2.3自組合單分子層及多分子層

2.3.1有機硅衍生物的自組合單分子層和多分子層

2.3.2有機硫化合物化學吸附到金及其它金屬上

的自組裝單分子層和多分子層

2.4水性膠束、反膠束和微乳液

2.5表面活性劑泡囊、聚合泡囊和聚合物泡囊

2.5.1表面活性劑泡囊

2.5.2聚合泡囊

2.5.3聚合物的泡囊

2.6管狀、棒狀和纖維狀以及有關的自組合結構

2.7雙層類脂膜

2.8多重雙層鑄膜

2.9聚合物與聚合物膜

2.10其他體系2.11不同小區(qū)的優(yōu)缺點

第三章金屬與催化顆粒

3.1非金屬原子族、準金屬原子族及納米尺寸金屬

微粒---水溶液中從鍵到能帶的結構變化

3.2納米尺寸金屬微粒的化學

3.3膜模態(tài)小區(qū)體系中金屬與催化的微粒及微粒膜

3.3.1催化的金屬微粒

3.3.2金屬微粒膜

第四章半導體顆粒與顆粒膜

4.1納米尺度半導體顆粒尺寸量子化效應

4.2單分散的納米尺度半導體顆粒的制備

4.3納米尺度的半導體顆粒表面

4.4膜模擬分區(qū)體系中的半導體顆粒和顆粒膜

第五章導體與超導體第六章膜模擬分區(qū)體系中的磁性、磁顆粒

和磁性顆粒膜

第七章高級陶瓷第一章引言1.1什么是尖端材料？尖端的、敏感的、自適應的、智能的、納米尺寸的、納米結構的、人造結構的、遺傳工程的、自組裝的、超分子材料。。。。等。不同的學科有不同的稱謂或描述?？傊?，現代尖端材料所期望的性能要遠遠超過60~80年以前所使用的材料。有幾個列子

⑴碳纖維的強度與密度比要比鑄鐵棒約大50倍。

⑵用高溫陶瓷渦輪發(fā)動機比蒸汽機的熱能轉換成機械能的效率由60%提高到80%

⑶超導的溫度已從23K提高到128K，非常有希望達到室溫超導。

人們對有機超導材料寄予厚望，C60系列[CHBr3,Tc=117K(-156℃),Science.2001,293,2432-2434]。

⑷芯片上的元件數量已由60年代的幾百個增加到上百萬個(Cr,nanowire,ornanocluster,Φ50~100nm,洋蔥。Nature,2002)。

分子器件、分子開關…

納米尺寸材料或納米結構，眾所周知，在1~100nm，生物、化學和物理學之間的相互滲透更具有協(xié)同性。這是一個能真正產生尖端材料的領域。

A生物學

蛋白質、病毒和細菌是納米尺寸的三維結構，他們是由更小的子單元自組裝而成的，子單元中的原子以共價鍵連接，但子單元之間卻是依靠非共價鍵。

B化學

納米尺寸材料是上百萬個原子所組成的巨大的分子（其分子量為106~1010），將原子之間通過形成共價鍵而合成為納米結構是一項艱難的任務。C物理學

納米材料的尺寸是量子化的，也就是說，他們的長度與deBroglie電子長度、光子波長和激子平均自由路徑相當。

量子點/量子晶體/零維（二維）激子…

在自然界，一個十分有趣的例子是：

納米結構材料是被稱為“生物礦化”過程而合成出來。大部分自然界存在的納米結構材料的組成是有層次的-----有序組合材料。

如：鮑魚殼（如圖）

它的結構似“磚---水泥”的分層結構，碳酸鈣為磚，可溶性蛋白質和多糖為水泥。珠母貝(Aragonite)海鞘類生物的骨針(Vaterite)手段：

1/納米物理學：

掃描隧道顯微鏡STM；原子力顯微鏡可以用來形成納米材料，用原子排列成“中國”，“IBM”等等。

2/納米化學：

通過化學反應由原子開始合成納米材料。

兩個學科可以協(xié)同組合。1.2尖端材料的重要性在美國，八大工業(yè)（空間、汽車、生物材料、化學、電子、能源、冶金和電子通訊）對材料有迫切的需求。認為那些具有改進結構，光學和電子磁性而且其成本具有競爭性的材料，對上述所有企業(yè)在未來經濟中保持良好狀態(tài)是十分必要的。對電子工業(yè)的未來也是至關重要的。在一個集成電路中容納更多的元件，計算機運算速度更快，更節(jié)能。1.3膠體化學方法的基本原理大部分現代材料是通過固態(tài)方法憑經驗制成的。一般包括陶瓷粉末的燒結、用高分子改良的混凝土、合金的機械加工如研磨、將離子植入半導體中、晶體生長等。現代的技術可以做到在分子水平上一層一層地分子束外延，但公平地講，人們在分子水平上對這些過程的了解還很少，人們不斷取得進展主要得益于精巧的工程技術。開發(fā)新一代的尖端材料需要全新的化學設計，這是一項在原子水平上從根本上了解相互作用和反應的基本工作?；瘜W家已奮起承擔此任，并已對材料科學做出極大貢獻。膠體化學特別適用于尖端材料：

1/由于大量新技術的使用和理論的發(fā)展，膠體化學日臻成熟并成為一門定量化和能做出預測的科學。

2/很多尖端材料的尺寸和行為都屬于膠體化學范圍。

3/材料加工時包含固—固、固—液或固—氣的界面反應，通過溶膠—凝膠工藝生產陶瓷膜是一個典型的例子。

4/膠體聚集體被用作制備尖端材料的容器或模板，為此，單層、多層以及其他聚集體將是本教材的內容。

5/最為重要的是許多組成大自然中“尖端材料”的生物礦物體，也可認為是膠體體系。作為本教材的一個重要的主題，生物礦物體的模擬方法顯然是以膠體化學為中心的。1.4尖端材料模擬方法的基本理論尖端材料的膜模擬方法是受到生物礦物化的啟發(fā)而產生的，如牙齒、骨骼、貝殼和導向器官。從已知的膠體化學、晶體學和骨固態(tài)學原理來看，生物礦物化的過程已達到盡善盡美的地步。已經確認蛋白質在生物礦物化時起著非常重要的作用。生物膜與生物合成、能量傳遞、信息輸送和細胞認知緊密相關。正是它們決定了細胞的生成形態(tài)。從體內或體外來研究膜的性質和結構。通常的做法是建立模型。

對模型的研究已使許多膜的性質得到理論的解釋，如滲透、相轉移、相分離、流動性、滲透率、融合、以及基質通過膜的流動性。

建立模型和模擬之間有著細微的但十分重要的差別。

模型---拉丁文----modus---相當于英文中的form----縮小規(guī)模或多少復制了原形

而模擬---希臘文---mimetikos---模仿---英文中---imitate---模仿其基本特性。

如水的光解。

到目前為止，我們還不能模擬一個自然界中最卓有成效的材料專家---磁取向細菌。每個這種細菌都能在細胞質膜中產生20~25個直徑在45