功能纳米材料-金属及其化合物纳米粒子功能化的胶体微球的合成

由于金属及其化合物纳米粒子具有独特的光学、电子、催化等性质,其成为了纳米材料领域研究的热点。但它们容易发生聚集、表面易被氧化等缺点也大大限制了其应用范围：而通过胶体粒子来稳定这些纳米粒子不仅可以大大提高金属及其化合物纳米粒子的分散性和稳定性,同时也可以利用胶体微球自组装的特性以及特殊的核壳结构来实现这些纳米粒子的规则排列和复合结构的构筑。本文介绍了国内外金属纳米粒子及其化合物功能化的胶体微球的制备的最新进展,并在最后就其发展作了展望。     

微纳尺度3D打印

复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业级应用的需求.高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构(尤其是大面积复杂三维微纳结构)一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学术界和产业界的研究热点,以及亟待突破的瓶颈问题.微纳尺度3D打印(微纳结构增材制造)在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势,而且还具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点.微纳尺度3D打印被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术.本文论述了近年国际上微纳尺度3D打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度3D打印典型重大应用,阐述了微纳尺度3D打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度3D打印未来的应用前景和发展方向及趋势.为深入开展微纳尺度3D打印、增材制造和微纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用.     

化学纳米工程学——新交叉学科的基础与展望

机械加工以连续介质理论为基础,化学则侧重于对离散的化学键的操作,因而两者有本质的区别.但在纳米加工领域,机械学面临着化学键的不连续性.当前超精密加工的精度已经达到纳米尺度,由于纳米材料的特殊性质,微纳制造所依赖的基础理论也随着加工工件尺寸的缩小经历着由量变到质变的过程,因此,传统的机械学与化学在纳米尺度的交叉催生出新的学科--化学纳米工程学.该领域的基础研究将有助于我们提升纳米制造技术,增强国家制造业的核心竞争力.     

纳米材料技术的发展趋势和应用机遇

本文系统介绍了国际纳米材料和技术发展的最新态势,国内纳米材料研究最新进展包括准一维纳米材料（纳米丝、纳米管和纳米电缆）,纳米结构微阵列（氧化物、氮化物、半导体和金属）的合成技术,大块金属 陶瓷材料制备和力学性质的研究,超双亲超双疏自清洁材料以及纳米材料在传统产业和高科技产业中的应用。本文还对如何加快我国的纳米技术产业的发展提出了建议。     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

磁性纳米颗粒的磁矩测量

磁性纳米材料在生物医学领域内有着较为广泛的应用,具有较大研究价值,如何测量磁性纳米材料的磁学参数成为一个重要的研究课题.本文介绍了几种目前实验室中较为常见的测量磁性纳米材料磁矩的方法:磁力显微镜、透射电子显微镜、超导量子干涉仪、巨磁电阻传感器、振动样品磁强计、磁天平以及电子顺磁共振仪,分别阐述了它们的原理、发展现状及应用前景,并介绍了它们在研究磁性纳米材料磁学性质上的新进展,分析了它们的优缺点以及在生物医学领域相关应用的各自适用范围与局限性.最后介绍了一种对类生理环境中的活体磁性材料的磁矩测量新方法:基于动力学分析测量材料磁性的方法.     

多孔阳极氧化铝在纳米结构合成中的应用

合成具有特定结构或性能的纳米结构体系是研究其相关物性和应用的重要前提。金属铝在酸性溶液中阳极氧化得到的多孔性氧化铝薄膜具有有序排布的纳米量级的孔阵列。本文综述和讨论了多孔阳极氧化铝在纳米结构合成中的应用。重点介绍了如何充分利用多孔阳极氧化铝的多孔性，开发制备新型纳米结构体系的美好前景。     

人工微结构材料与热的调控

人类目前利用能源的效率还很低,大量的能源以废热的形式被浪费掉了,因此对废热的处理和利用是关系到国民经济和环境保护的重大问题.通过人工微纳结构材料实现热能的转换及控制是近年来兴起的一个交叉领域,它涵盖了物理学、化学、材料科学、工程等诸多学科.本文综述了该领域的最新发展情况:包括微纳米结构对热电材料的热电优值的提升,声子晶体中热导率的急剧减小,热二极管等声子热能器件对热能的调控、以及热学隐身衣等热超构材料的理论设想和实验实现.最后,总结了中国在这个领域的研究现状,并展望了未来的发展方向和趋势.     

微纳机电系统(MEMS/NEMS)前沿

微纳机电系统(MEMS/NEMS)将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他一些微加工工艺制作到芯片上,并通过与电路以及相互之间的集成来构筑复杂的微型系统.由于微纳机电系统具有高度的交叉性与渗透性,而使其研究和发展呈现出多样性.本文立足于微纳机电系统与集成电路的交叉,侧重讨论微纳机电系统与CMOS集成电路的集成、微纳机电系统技术与纳米技术的融合,以及与现代生物技术的交叉,就一些典型的器件与工艺,介绍一些前沿发展和趋势.     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

准连续Ag纳米线微网调制的新型VO_2低发射率智能节能薄膜的制备及其性能研究

二氧化钒(VO_2)温控智能节能窗是建筑节能领域的研究热点,但其发射率高,影响了节能效果的进一步提升.本文从金属银纳米线微网结构的宽波段光学调制作用出发,设计并制备了AgNW/VO_2多层复合结构.该新型复合薄膜兼具优良热致变色和低发射率双重特征.研究结果表明:与直接镀制于VO_2表面的AZO,Pt等结构相比,准连续Ag纳米线微网结构在降低发射率?和保持VO_2相变前后的太阳热调节效率ΔTsol方面具有明显优势.对于镀制于石英玻璃上的单层VO_2薄膜来讲,通过优化AgNWs的涂覆厚度,可将发射率降低至0.21,同时ΔTsol仍保持5.8%.本研究表明这种复合结构对提升VO_2节能涂层的节能效果明显.     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.     

凝聚相中纳米粒子的自组装

低维纳米材料的研究是当前材料科学与其它学科交叉的前沿领域。为了降低制造成本以便工业生产某些具有特殊功能的人造分子和纳米器件，必须寻找在液相中大量复制和组装它们的技术。在液相中制造纳米粒子有两个最重要的问题需要解决。一是粒子在溶液中的稳定性；二是颗粒度和结构的控制。其中三维有序结构的构建是制造纳米分子器件的首要总是。本文简介国徽法合成金属纳米粒子的原理及其自组装条件的控制，并进一步阐述如何利用脉冲辐解研究其成核反应动力学。     

Science China Technological Sciences 2021年64卷第1期中文摘要

正氮化硼纳米结构的功能化白亚磊,薛敏珉,赵志强,张助华氮化硼(BN)纳米材料是碳纳米材料的同构体,具有仅次于碳纳米材料的机械和热学性能.更独特的是,硼-氮键的离子性导致氮化硼纳米材料具有优异的热稳定性和耐腐蚀性,使其成为制造面向极端使役环境的器件的理想材料.然而,所有天然氮化硼纳米材料都是电绝缘体,缺乏半导体的功能性.如何有效地调节和控制氮化硼纳米材料的电学特性,     

微纳米线材多物性参数综合表征系统的研发

微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用.由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注.本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,能够实现对微纳米线材在40~500 K范围内的精确综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数.针对上述系统,本文进行了不确定度分析,且对已知物性参数的铂(99.95%Platinum)和康铜(Constantan,60%Cu 40%Ni)细线进行了测量和对比,校验了本系统的测量精度.本文研发的表征系统填补了国际上纳米线材多物性参数测量系统的空白.     

介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具,已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用.本文突破对介电泳技术的传统定位,简要介绍介电泳效应的两例新的应用.首先是和新兴的纳米孔技术结合,利用介电泳的富集效应,在微纳环境下对单分子行为进行操控,解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题.其次在某些相分离固体材料中,介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流,从而实现电致阻变效应.这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围,且具有多学科技术交叉融合的特点,为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.     

聚合物超薄膜结晶相关的形貌形成及链行为

聚合物超薄膜结晶是高分子物理领域的一个新研究课题,近来已引起人们的关注,其为人们在真实时空下研究聚合物结晶及相关链行为提供了可能。聚合物超薄膜结晶与膜厚(D)有很强的相关性,尤其是D<20nm的薄膜在结晶形貌和结晶动力学方面与本体结晶差别很大。已有的结果主要集中在结晶形貌、晶体尺寸、晶体生长速度和习性、晶体的熔融和结晶度等方面,涉及温度、膜厚、基片性质和膜的组成和结构对结晶的影响;然而,有些实验结果和解释彼此不完全一致,甚至有时相互矛盾。本文综述和讨论了近年来在超薄膜结晶方面的研究,重点在于结晶形貌的形成和相关的聚合物链行为。     

Co/Cu多层膜沉积过程中结构和形貌的变化

从原子结合能和位错生成能入手,分别计算了在Co基底上沉积Cu薄膜和在Cu基底上沉积Co薄膜时,薄膜结构随沉积厚度增加所发生的变化.结果表明,在{100}纤维织构的Co基底上沉积Cu薄膜,当薄膜厚度达到3.33 nm时会在薄膜与基底界面产生错配位错,且随薄膜厚度增加,错配位错密度逐渐增大.在{100}纤维织构Cu基底上沉积Co薄膜,当薄膜厚度达到4.90 nm时,薄膜生长模式会由层状向岛状转变,薄膜为fcc结构.当厚度超过12.64 nm后会出现hcp结构.计算结果与实验得出的结论基本相符.     

摩擦电子学及主动式机械感知

摩擦电子学作为摩擦电与半导体耦合的新研究领域,可以通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径.本文系统地综述了摩擦电子学的研究进展,首先介绍了摩擦电调控场效应作用机理以及摩擦电子学晶体管基础器件;其次介绍了研制的各种摩擦电子学功能器件,展示了其对于外部环境的主动式机械感知;最后对摩擦电子学领域的研究进展及待解决的问题的进行了总结,并展望了该领域未来的发展方向.     

层状二硫化钼纳米薄膜的制备及其光学特性

通过化学气相沉积法(CVD),以三氧化钼(MoO_3)粉末和硫(S)粉末作为反应物,将二硫化钼(MoS_2)纳米薄膜直接沉积到石英衬底上.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行了观察.发现所生长的MoS_2薄膜为纳米层状结构.通过拉曼光谱和光致发光光谱对生长的薄膜进行结构及光学性能分析.结果表明生长的纳米薄膜中有单层、双层和三层MoS_2薄膜的存在,同时在单层、双层和三层MoS_2薄膜中观察到了光致发光现象.并分析解释了MoS_2纳米薄膜从体材料向单层转变时能带结构的变化.