纳米晶体原子结构及其温度的影响

纳米材料由于具有许多独特的性质,对它的研究已成为材料科学的一个新领域.纳米晶体中晶界区域的体积占到整个晶体的50%或以上,因此晶界对纳米晶体的特性具有重要作用.目前,对纳米晶体中的晶界结构还无较为统一的认识,通过直接或间接的实验观察和分析形成了若干假说.具有代表性的是气态完全无序说、有序说和有序无序说.本文则从理论角度利用模拟技术对纳米晶体的晶界及晶内原子结构进行了研究.     

基于界面和纳米析出相材料的抗辐照损伤机制研究进展

核能是重要的清洁、可靠和可持续的能源.核能的发展离不开高性能的核反应堆结构材料,这些结构材料在高温、高剂量辐照的环境下长时间服役,其性能在很大程度上决定反应堆的使用寿命.载能粒子轰击会在材料中引入大量缺陷,这些缺陷随时间的演变往往造成材料组织结构的改变,从而引起材料性能的下降,甚至失效.具有更苛刻服役条件的先进反应堆急需具有更优异抗辐照损伤性能的结构材料.抗辐照损伤材料设计的本质就是通过成分和微观结构等设计来提高材料中载能粒子辐照所引入缺陷的湮灭能力,从而提高材料的抗辐照性能.基于界面的抗辐照损伤设计是近几十年抗辐照损伤材料设计的主要思路.本文从抗辐照损伤机理研究存在的挑战出发,主要综述了基于界面的抗辐照材料结构、成分设计及特点,已经提出的抗辐照损伤设计方案及相关机理,重点介绍了北京大学技术物理系核技术应用团队基于界面以及提出的循环溶解再析出的纳米析出相的抗辐照损伤材料设计及机理方面的研究进展,并对未来基于界面和纳米析出相抗辐照损伤设计的研究进行了展望.     

纳米毒理学与安全性中的纳米尺寸与纳米结构效应

纳米生物效应与安全性是纳米科学中既具有基础科学意义, 又事关纳米科技应用前景的关键问题, 是纳米技术可持续发展的核心. 国际上普遍认为, 纳米技术的未来发展取决于两大主要瓶颈能否取得突破: 一是纳米尺度上的可控加工与大规模生产技术; 二是纳米安全性知识体系与评价方法. 针对后者, 欧洲和美国都提出了“没有安全数据, 就没有市场”(“No Data,No Market”)的方针. 为了保障科技和市场的优先权, “科技要领先, 产品要安全”已成为发达国家的国家战略. 为此, 在短短5 年内已经形成纳米毒理学这个新兴学科, 阐明在纳米尺度下物质的毒理学效应. 本文重点分析纳米毒理学与纳米安全性中的纳米尺寸效应、纳米结构效应这两个重要的科学问题及其研究结果, 同时简单讨论剂量-效应关系这个传统毒理学的中心法则在纳米毒理学中的变化情况, 讨论未来的相应研究内容和方向, 同时也帮助读者更为科学、理性地认识和理解物质在新的纳米尺度下所固有的生物学特性, 包括毒理学特性.     

纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用与有效各向异性

以Nd2Fe14B/α-Fe为例， 研究了纳米（软、硬磁性）双相复合永磁材料中晶粒间交换耦合相互作用对材料有效各向异性的影响。计算结果表明：交换耦合作用随纳米晶粒尺寸减小而增强，材料的有效各向异性随晶粒尺寸的减小而下降、 随软磁性相成分的增加而降低，综合考虑剩磁和各向异性随晶粒尺寸减小具有相反的变化趋势，为得到具有高磁能积的复合磁体，晶粒尺寸应在10－15nm范围内，软磁性相的比例应限制在50％以内。     

纳米硅薄膜的压阻效应

固体纳米材料已被认为是当前极有发展前景的一种人工功能材料.许多先进国家皆已把它列为21世纪重大课题而给予重视.我们使用了常规的PECVD薄膜沉积技术已成功地制备出具有纳米相结构的硅薄膜(nc-Si:H).由于纳米硅膜是由占体积百分比X_c≈50%的细微晶粒(d=3～5nm)及X_I≈50%的晶粒界面所组成,已发现大量界面组织的存在对nc-Si:H膜的结构和物性产生重要的作用.业已观测到,nc-Si:H膜中的界面是由细微晶粒的无规排列     

接枝高分子对纳米-生物界面黏附性能的调控

接枝高分子调控纳米-生物界面的黏附行为在生物医学领域具有广泛应用,相关研究也具有重要的理论意义,从而获得了持续的关注.本文对接枝高分子调控纳米-生物界面的黏附行为所涉及的物理化学机制进行了梳理.通过在纳米药物表面接枝聚合物,可以抑制生物小分子的随机吸附,从而减少蛋白冠厚度,减轻免疫反应,延长药物的体内循环时间.此外,聚合物接枝还能改变药物载体的表面结构性能,从而提高其在生理组织中的输运效率.本文涉及的机理分为两大类:界面物理和界面化学.前者主要关注微观结构和形态,可以通过接枝密度、接枝长度、链拓扑等进行调节.本文着重介绍了与接枝聚合物的高熵特性密切相关的两种物理机制:熵弹空间位阻和链段动力学.后一类机理通过特殊的化学基团实现,特别是官能团的亲疏水性.通过在接枝链上加入适当的化学基团修饰,可以获得更好的稳定性和更强的生物分子吸附抑制.此外,通过化学基团对温度、光照、pH的依赖性,可以对接枝聚合物涂层的生物黏附性能进行动态调节,实现对外部刺激响应智能化.本文有望为该领域未来的基础理论研究和先进材料开发提供参考.     

蛋白质在纳米拓扑结构材料表面的吸附

蛋白质在生物医用材料表面的吸附行为与材料的生物相容性密切相关. 长期以来, 大量的研究报道基本上都集中在生物医用材料表面化学组成对蛋白质吸附行为的影响, 而单独考察材料表面拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究近年来才刚刚开始. 本文介绍了材料表面纳米拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究进展. 所涉及的材料表面纳米尺度拓扑变量包括粗糙度、曲面曲率和特定几何形状 等, 而蛋白质的吸附行为则包括蛋白质吸附量、吸附后蛋白质的活性和吸附蛋白层的形貌等.     

聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的有效模量

聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料（polymer-layered silicate nanocomposites,简称PLS纳米复合材料）较传统的聚合物填充复合材料具有更优越的性能。含量相当低的薄片状硅酸盐即可以使材料性能明显提高。然而,在其体积百分比超过某一较小的临界值后,继续增加增强相的含量将不再有进一步的增强效果。这一实验发现与以往的细观力学预测不一致,而且一直没有合理的解释。从材料的微观结构特点出发,揭示了上述现象的微观物理机制,并采用Mori-Tanaka方法和数值手段,给出了其有效模量的计算方法。     

纳米金属氢FCC结构的Kubo效应的量子理论研究

早在量子力学建立初期,H_2和H_2~ 团簇的研究就具有重要的科学意义。通过对H_2分子的定量研究揭示了化学键的本质并开创了现代化学键理论,而H_2~ 的精确解为直接考察量子化学中各种近似方法提供了依据。近年来,随着天体物理、空间技术和新材料技术的发展,特别是为满足研究高密度能源材料和高温超导材料的金属氢的需要,开展H_n和H_n~ (n>2)团簇的研究已势在必行,一方面,它是物理学的重要前沿领域,利用量子力学的新理论和新方法来研究H_n和H_n~ 可了解少数氢原子团簇的凝聚规律及如何过渡到大块材料,为材料设计提供依据,且不断完善和改进现有的处理凝聚态问题的理论方法,这种从原子分子层次出发来研究和设计新材料是当今材料科学发展的一大趋势;另一方面,特别是继芶清泉提出了金属氢的高压合成机理后,接着又提出了从H_n和H_n~ 团簇相互作用的定量计算与分析入手,进而研究金属氢的结构与性质的重要途径,该物理思想实际上把经超高压合成的金属氢视为由纳米级的氢原子团簇H_n组成,即金属氢是一种纳米金属材料。而一般纳米金属材料的一个重要性质是其电离能具有明显的Kubo效应,即纳米级的金属颗粒(或团簇)中很难增加或减少一个电子,因而这些超细颗粒或团簇具有强烈保持电中性的能力。过去我们用改进的排列     

有机小分子纳米光功能材料的制备研究取得新进展

受分子间作用方式的限制,有机小分子材料的熔沸点较低且易升华,多数无机纳米材料的制备方法并不适用于有机纳米材料．因此有机纳米材料,尤其是有机纳米晶体材料的制备受到限制．探索有机纳米晶体材料新的、普适性的制备方法以及研究结晶性对有机纳米材料光电性能的影响,已经成为纳米材料领域新的研究热点．     

Si基纳米发光材料的研究进展

Si基纳米材料是近年迅速发展起来的一类新型光电信息材料，在未来的Si发光二极管、Si激光器以及Si基光电子集成技术中具有潜在的重要应用，这些材料主要包括纳米孔硅，由SiO2膜、SiOx（x＜2．0）膜与氢化非晶Si（a-Si:H）膜镶嵌或覆盖的Si纳米微粒，Si纳米量子点以及Si/SiO2超晶格等，目前的研究迹象预示，一旦这些材料能够实现高效率和高稳定度的光致发光（PL）或电致发光（EL），很有可能在21世纪初引发一场新的信息革命，主要介绍了过去10年中各类Si基纳米材料在制备方法、结构特征和发光特性方面的研究进展，并初步预测了这一研究领域在今后10年内的发展趋势。     

氧化的碳化硅与铝镁合金之间的界面反应

通过FE－SEM（filed emission-scanning electron microscopy),TEM(transmission electron microscopy)和X射线衍射研究了高温氧化的SiC颗粒增强含镁铝合金基复合材料的界面反应过程。发现该界面反应首先形成纳米MgO,然后是否继续与铝液反应取决于Mg的含量以及纳米MgO层致密程度。在Mg含量不足以形成致密的纳米MgO层时,SiO2与MgO和铝液继续反应形成MgAl2O4晶体;当Mg的含量足以形成致密的纳米MgO层,则其能良好地保护内层SiC免受铝液的进一步侵蚀。表明MgO和MgAl2O4为高温热稳定界面反应产物。澄清了对于该界面反应过程的模糊认识和推测。这对于复合材料界面反应控制及界面设计具有重要价值。     

非晶态SiO2中纳米ZnS的量子尺寸效应与非线性光学效应

纳米材料是低维材料的一种,是目前材料科学研究的热点和前沿.纳米复合材料因具有很强的非线性光学效应而引起人们的兴趣.1983年Jain和Lind首先发现掺有Cd(SSe)的玻璃具有较高的三阶非线性极化率和高的响应速率,Cd(SSe)的尺寸被估计为10～100nm.这揭开了半导体掺杂纳米复合材料的研究序幕.多年来有许多人从事这方面的研究工作,日本的Nogami等研究了CdS,PbS,CuCl,CdTe等分散在SiO_2玻璃中的复合材料的量子尺寸效应和吸收光谱.西安交通大学电子材料研究所在这方面作了大量的研究工作,制备了一系列化合物牛导体微晶与多孔SiO_2玻璃的复合材料,并且研究了复合材料的结构与特性。     

Fe基纳米微晶粉末的磁性与巨磁阻抗效应

研究了不同温度退火的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金粉末的宏观及微观磁性,并报道纳米微晶粉末的巨磁阻抗效应,实验结果表明,510℃退火粉末具有最佳软磁性能,而样品的纳向驱动阻抗效应(longitudinal driven giant magnetoimpedance,简称LDGMI)变化的大小不仅与其磁性能有关,与电性能也密切相关,600℃退火样品得到的最大阻抗变化为52.2%。     

纳米Fe-In2O3颗粒膜的磁性和巨磁电阻效应

采用射频溅射法制备了纳米“铁磁金属-半导体基体”Fe-In2O3颗粒膜，研究了Fex(In2O3)1-x颗粒膜样品的磁性和巨磁电阻效应，实验结果表明；当Fe体积百分比为35%时，颗粒膜样品的室温磁电阻变化率△ρ/ρ0数值达到4.5%,Fe0.35(In2O3)0.65颗粒膜样品的磁电阻变化率△ρ/ρ随温度（T=1.5-300K)的变化关系表达；当温度低于10K时，△ρ/ρ0数值随温度的下降而迅速增大，在温度T=2K时△ρ/ρ0达到85%，通过研究颗粒膜低场磁化率X（T）温度关系和不同温度下的磁滞回线，证实当温度降低到临界温度Tp=10K时，颗粒膜中结构变化导致磁化状态发生“铁磁态-类自旋玻璃态”转变，Fe0.35(In2O3)0.65颗粒膜样品的磁电阻变化率△ρ/ρ0在温度低于10K时的迅速增大，可能是由于纳米“铁磁金属-半导体基体”Fe0.35(In2O3)0.65颗粒膜样品处于“类自旋玻璃态”时存在特殊的导电机制所造成的。     

不同功能化基团修饰的硅纳米颗粒与人皮肤角质形成细胞系(HaCaT)的生物效应

系统地研究了纯硅纳米颗粒(SiNP)、磷酸化硅纳米颗粒(PO4NP)和氨基化硅纳米颗粒(NH2NP)与人皮肤角质形成细胞系(HaCaT)的生物效应. 考查了3种不同功能化基团修饰的硅纳米颗粒对HaCaT细胞的细胞黏附效率、细胞增殖及细胞周期的影响, 以及HaCaT细胞对SiNP, PO₄NP和NH₂NP的吞噬情况. 结果表明: SiNP, PO₄NP以及NH₂NP 3种颗粒对HaCaT细胞的影响均存在浓度依赖关系, 当3种不同功能化基团修饰的硅纳米颗粒在细胞培养液中的终浓度低于0.2 μg/μL时, 与HaCaT细胞具有良好的生物相容性, 但是随着纳米颗粒在细胞培养液中终浓度的增大, PO₄NP, SiNP和NH₂NP对HaCaT细胞的影响也逐渐增大, 其中PO₄NP所产生的影响随浓度增大的趋势最慢, SiNP次之, NH₂NP最快; 同时, HaCaT细胞对纳米颗粒的吞噬量和吞噬速度也因其表面修饰的不同而存在差异, 在同样的作用浓度和作用时间下, NH₂NP进入到细胞的量最多、速度最快, SiNP次之, PO₄NP则最少、最慢. 这些研究结果的获得为指导硅纳米颗粒在生物医学研究中的安全应用以及硅纳米颗粒的后续修饰提供了理论依据, 有利于进一步拓展硅纳米颗粒在生物医学领域中的应用.