无机一维纳米材料的制备、组装及表面浸润性研究

来源 :中国科学院化学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dl_smh
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智能材料与界面材料有机结合,赋予界面材料智能特性将是研究智能材料的一个新领域。浸润性是固体表面的一个十分重要的性质,对固体表面的浸润性进行可逆控制将在很多领域具有广泛的应用前景。相对于有机和高分子材料,无机材料具有更好的光、电、热以及化学稳定性,近年来对无机材料表面浸润性的研究成为了一个热点。但是无机半导体薄膜表面的浸润性在外场光的刺激下其调控范围很有限,这极大限制了它们广泛的应用。因此,如何提高无机半导体表面浸润性的变化范围成为本研究课题的一个重要方向。随着纳米科学的进步,纳米层次上的表面和界面科学的发展已为跨越物理、化学、材料等重大学科的交叉提供了有利时机。因此寻找一种低能耗、廉价、重复性好的方法来大面积制备无机纳米材料,并研究其所对应的区别于宏观材料的性能成为本研究课题的又一重要方面。   1.制备了无机氧化锌一维纳米阵列薄膜,并实现了其表面光控超亲水/超疏水可逆转换的性能。通过低温水热方法制备了大面积的阵列氧化锌纳米棒薄膜,并且通过改变实验条件控制了纳米棒的生长取向、直径、高度以及生长区域。经过XRD晶体衍射表征,发现这种纳米阵列表面是由具有最低表面能的(001)晶面构成。结合高的表面粗糙度,实现了表面超疏水性。同时利用氧化锌具有无机半导体的紫外光敏感性,又通过外场紫外光诱导实现了其表面超疏水和超亲水的可逆转变的“超级开关”性能。这一性能的实现将对未来微流体器件的发展起到很大的促进作用。   2.制备了更加稳定,更具有工业应用前景的无机氧化钛一维纳米阵列薄膜,并实现了其表面光致的超亲水和超疏水可逆转变性能。通过低温水热反应,制备了大面积的一维氧化钛纳米棒薄膜,并且控制了一维纳米棒的晶体生长取向。通过XRD和HRTEM表征分析,发现这种一维纳米棒是沿着(110)晶面进行生长,并且薄膜表面由具有最低表面能的(001)晶面所构成。结合表面类荷叶的三维分形结构,实现了从亲水氧化钛材料制备超疏水性表面。另外结合无机氧化钛表面优越的光敏性和光致表面催化性能,实现了其表面的超亲水和超疏水的可逆转变性能。这一性能的实现将极大的拓展无机氧化钛纳米材料的应用领域。   3.结合对无机氧化锌体系和氧化钛体系的研究,把无机化学和表面化学通过一维纳米材料进行了很好的结合。发现可以利用无机化学的晶体场理论来制备具有晶面取向的无机纳米一维材料,结合溶液方法或者水热方法可以制备出具有一定微米/纳米复合结构的薄膜表面。这样得到的表面相对于体相材料具有更加优越的性能。   4.在合成一维无机半导体纳米材料和研究其表面浸润性的同时,利用纳米材料本身特有的物理化学性能对它们的自组装性能进行了的研究。首先利用无机氧化锌一维纳米材料的两个端点具有不同的偶极或者带有不同的电荷,实现了氧化锌纳米材料从一维到三维的组装。并且利用不同晶面具有不同稳定性这一性能,得到了氧化锌从三维纳米棒到三维纳米管的转换。它们在未来氧化锌纳米结构的基础研究和应用研究中(如:纳毛细电泳、纳流体生物传感以及纳米尺度的电子和光学器件)将起到十分重要的作用。同样利用氧化锌晶面的偶极性,实现了一维氧化锌和零维银纳米粒子的定向组装。
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