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纳米花儿开(科普.原创.附图)

 

沈海军

当时尚男女们热衷于买花送给心爱的恋人时,也许他们做梦也都没有想到科学家们已经“培植”出了极其微小的新式花朵。这些花非常非常小,比人的发丝还小数千倍;花的整体尺寸通常为几微米,花瓣的厚度仅为几百纳米。要知道,1纳米等于109米,而1微米仅为百万分之一米。这是一些只能在高倍的电子显微镜下才能看得见,一般的光学显微镜根本无法分辨的花朵,因此,科学家们称之为“纳米花”。 

日常生活中,当人们种植花时,必须等上几个礼拜或几个月才能看到自己辛勤劳作的成果。但在实验室里,这些比人的头发丝微小数千倍的纳米花有时在几个小时内就能“生长”出来。它们的“园丁”不是园艺师,不是花农,而是化学家、材料学家,或纳米技术专家。

最近,笔者做了一次有关纳米花的调查。结果显示,2003年以前,几乎没有纳米花的报道;2004年至2008年,纳米花的相关报道逐渐增多,但每年的文献数不超过十篇;2009年以后,纳米花的报道快速增多,其中,2010年的报道数超过了30篇,而2011年前3个月,纳米花报道数量竟达到的20多篇。

纳米艺术是近年来才出现的新生事物,是纳米技术高科技与艺术的完美结合。纳米花是纳米艺术的重要题材,也是纳米材料的重要组成部分直接反映了当今纳米科学技术的发展水平。

 

  • 纳米花有什么用

纳米花,说到底就是几何形态似花,但细节尺寸却为纳米量级的颗粒。因此,但凡纳米颗粒具有的用途,纳米花也都有。

纳米颗粒到底有什么用途呢?让我们列举一些比较典型的吧!

首先是纳米气敏传感器。气敏传感器的主要工作原理是被检测气体与传感器表面发生反应,引起表面某种性质变化(如电阻、电导、电压、阻抗等),传感器将这种变化转变为电信号,人们通过对电信号的分析,即可得到有关气体浓度、成分等相关信息。研究表明,纳米氧化锌、氧化锡等材料接触酒精、汽车尾气等气体时电阻都会发生显著改变,因此可望在司机酒后驾驶、环境检测等方面,发挥重要作用。

第二是太阳能电池板。瑞士国家材料科学与技术实验室的一项研究表明,如果在太阳能面板表面黏上聚苯乙烯微球,并在微球表面“种植”密密麻麻的氧化锌纳米线,则太阳能板吸收阳光的有效面积会大幅度提高,发电效率会提高75%左右。

第三是在加热、冷却技术方面。近来,美国俄勒冈州大学的研究人员Seungho Cho等人研究了化学反应试剂中维生素C对纳米氧化锌形貌的影响,在铜的表面上得到了酷似斑叶马齿苋的氧化锌纳米结构。他们声称,“在铜的表面覆盖上纳米尺度的磷片状氧化锌层可以显著提高铜的热传输特性,将在加热、冷却技术方面带来一场新的革命”。

第四是光催化作用。研究发现,在光照下纳米氧化钛具有优良的光催化特性,可加速某些有机物的降解,在污水处理等方面具有广泛的应用前景。

此外,纳米碳化硅等还具有自清洁特性。当雾气落到纳米氧化硅改性的材料表面时,就会像露珠在荷叶表面那样滑落。因此,纳米碳化硅可用来制作防水材料,如汽车的挡风玻璃,甚至是建筑外墙。这样一来,淋受风雨或许将成为过去。

讲到这里,有人肯定会问,除了表面形貌差异外,纳米花到底和纳米颗粒还存在什么区别呢?其实,和普通的纳米颗粒相比,纳米花通常具有大量针状或片状的花瓣,这使得其具有更大的表面积,更好的表面活性,因此,在上述各项应用中自然也就会有更佳的表现。可见,纳米花并非华而不实,只是用来欣赏的。

 

  • 纳米花是怎样培育的

和常规的花完全不同,纳米花大多都是实验室里通过化学方法、物理方法制备的。从目前纳米花的研究现状来看,水热法应该属于一类最常使用的纳米花的制备方法。水热法又称热液法,属液相化学法的范畴。是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反应类型的不同可分为水热结晶、水热氧化、水热合成、水热水解等。纳米花的制备中,水热结晶法用得最为广泛。目前,科学家们已经利用水热法成功制备了氧化锌纳米菊花、氧化锌纳米万年草、氧化锌纳米八瓣梅花、铝纳米五角花、氧化钛纳米芍药等等。

第二类纳米花的制备方法是气相沉积法。这里,所谓的气相沉积法是指让两种及两种以上的气态物质在基底上沉积生长。生长过程中,沉积物可能发生化学反应,也可能仅是依靠分子间的吸附作用沉积在一起。前者被称为化学气相沉积法,后者则被称为物理气相沉积法。为了促使纳米花的快速生长,化学气相沉积法中常常还会在生长基体表面布上微小的催化剂颗粒。现在,采用气相沉积法,科学家们已经成功制备出了各种各样纳米花。如氧化锌纳米茶花、硫化钼纳米牡丹、纳米碳管“仙人球”、碳化硅纳米风信子、氮化铟纳米剪秋罗、氮化硅款冬花等。

第三种制备方法为分子束外延方法。所谓分子束外延方法,就是在单晶衬底(基底)上生长一层有一定要求的、与衬底晶体方向相同的单晶层,就犹如原来的晶体向外延伸了一段。2008年秋季,美国材料学会举办了一年两度的“科学就是艺术”大赛。台湾国立大学凝聚态物质科学中心Paichun Wei博士的纳米花荣获一等奖。这是一张纤维锌矿结晶氮化铟纳米花的电子显微镜照片,经过电脑着色处理后酷似一朵火红的玫瑰;玫瑰的每个纳米花瓣的尺寸为几十纳米。其制备方法就是分子束外延方法,即使用高纯度的铟,以及叠氮酸作为氮源,在基体表面沉积生长。

第四种方法电子束雕刻技术。即用电子束雕刻机对一种名叫PMMA的有机物薄膜进行刻蚀,获得PMMA纳米菊花、PMMA六瓣梅花列阵等。

除了上述方法以外,还有滴涂法,即在旋转的基体表面滴某种有机溶液,利用溶液和基体之间的作用获得纳米花;直流电弧法,即在气态特殊环境下进行电弧放电,在阴极或阳极上得到花样的纳米结构等等。

当然,如果运气好的话,只需要将电子显微镜对准生物切片,或者试件断口,有时也会观察到一些美妙的纳米花来。

 

  • 纳米花的分类

最近,笔者在撰写一本名为《千姿百态的纳米花》的专著。该书共收录了近7年来的纳米花140余种/朵。有些来自网络,有些来自专业的学术刊物,有的由纳米界的好友提供。这些纳米花千姿百态,争妍斗艳,包括纳米玫瑰、纳米菊花、纳米芍药、纳米茶花、纳米火球花、纳米蓝刺头、纳米丁香花、纳米康乃馨、纳米黄金叶球、纳米八瓣梅花、纳米晚樱花、纳米火球花……

从花瓣的形态上来看,纳米花包括针状花瓣的、丝状花瓣的,以及片状花瓣的纳米花。针状花瓣纳米花的典型代表为材料学家Mikhail Ladanov的氧化锌纳米铁树花、我国学者Feng Cao等人的硫化镍纳米玉山佛甲草花、Lorenza Suber等的含苞待放的纳米球兰花、我国学者LANG Lei-Ming等人的带毛刺外壳的硫化镍纳米板栗等。丝状花瓣的纳米花有我国学者Yutao Han等人的硫化锡纳米发财树花、新加坡国立大学的Yihong Wu博士的纳米碳管仙人球、Mei Yang等人的纳米珊瑚花状等。片状花瓣的纳米花有中南大学材料学家张宁博士等人的氧化锌纳米茶花、美国威斯康星州大学Jian Shi博士的氧化锌纳米康乃馨、美国密歇根州大学物理系学生Abhishek Prasad的硒化镉/硫化锌纳米丁香花、美国俄亥俄州大学传感系统研究所Potter教授的纳米氧化锡黄腺香青花等。

从材质来分,纳米花又可以分为氧化物纳米花、硫化物纳米花、氮化物纳米花、无机盐纳米花、碳材料纳米花、半导体材料纳米花、生物和有机物纳米花等。氧化物纳米花又包括氧化锌纳米花、氧化钛纳米花、氧化硅纳米花、氧化铁纳米花、氧化铜纳米花和氧化锡纳米花等;碳材料纳米花则主要包括纳米碳管纳米花、碳富勒烯纳米花和碳纤维纳米花。需要注意的是,目前,氧化物纳米花已占到纳米花总数的50%以上,而硫化物纳米花的比例也高达13%左右。

从制备的手段及方法来看,纳米花有的是采用液相法制备的,即在溶液中化学反应或结晶制备的;有的是气-固法制备的,即让气态物质在基体上化学沉积或物理沉积生长而成的;有的是用电子束雕刻机雕刻的;有的是有意制备的;有的则是无意间偶然发现的。

 

  • “培育”纳米花并非易事

最近,网上流传着一则故事,名字叫“卖火柴的小女孩(纳米版)——只有博士生才能读懂其中的滋味”。故事说的是一名可怜的女博士,为了完成博士学业,整天泡在实验室,做梦都想制备出哪怕仅是一款规则的纳米结构。读完文章后,虽然觉得有些夸张,但心里仍酸酸的。作为一名从事过纳米研究的工作者,笔者深深地知道实验室里要得到特定纳米结构有多么难,何况还是一款漂亮的纳米花结构。

欣赏纳米花是一件赏心悦目的事。但实际上,要在实验室里“培育”出朵朵纳米花却非易事。为了制备出像样的纳米花,试验中溶液的酸碱度、化学反应中反应物的组分、反应时间、催化剂、分散剂、温度等各种实验条件都要把握得恰到好处。绝大多数情况下,试验产物都会因某种条件没有把握好而仅得到一些乌七八糟的不明物质;电子显微镜下,这些不明物质黑乎乎的一片,更别提什么纳米结构、什么纳米花了。 

注:最近,笔者 花费了几十天,《千姿百态的纳米花》一书终于完稿。该书以图为主,纳米花与现实花照片一一对照。现将该书的部分纳米花与现实花的对比图贴出来,供大家欣赏。

   



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