纳米化学

内容概要

杰弗里 ∙ 厄津（Geoffrey A. Ozin） 1943年生于英国伦敦，于伦敦大学国王学院获得学士学位，牛津大学奥里尔学院获得研究生学位。在南安普顿大学作为ICI研究员进行博士后研究，之后任教于多伦多大学，现为加拿大政府材料化学及纳米化学领域首席科学家，多伦多大学杰出教授，加拿大皇家学院院士。他也是英国皇家研究院和伦敦大学学院的荣誉教授，伦敦纳米技术中心顾问，卡尔斯鲁厄理工学院功能纳米结构中心和纳米技术研究中心客座教授。他的工作对当代的纳米化学交叉学科领域产生了重大影响，有力地推动了纳米技术的发展。他近期的研究集中于“不同尺度下的材料自组装”。他展示了如何将纳米到微米级的结构单元组装成为前所未有的结构和形态，形成功能材料并具备丰富的功用。Ozin教授曾获得阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖等多项奖励。



安德烈 ∙ 阿瑟诺（André C. Arsenault） 1979年出生，26年在多伦多大学Geoffrey A. Ozin和 Ian Manners的课题组取得博士学位。与人合作创立了Opalux公司并担任首席技术官。



卢多维科 ∙ 卡德马蒂里（Ludovico Cademartiri） 1978出年生于意大利帕尔玛，22年毕业于帕尔马大学，28年在多伦多大学获得博士学位，212年至今任艾奥瓦州立大学助理教授。

书籍目录

中文版序

译者序

序

第二版前言去而复归

前言从纳米开始

本书的目的

本书的结构

讲授（纳米）材料

学习（纳米）材料

探求（纳米）材料

致谢

思考题关于纳米化学、纳米科学、纳米技术和纳米安全

第1章纳米化学基础

11植根于材料化学的纳米化学

12材料和纳米材料的合成

13材料自组装

14宇宙大爆炸

15“纳米”的意义何在？

16纳米材料的大或小

17纳米尺度下的量子力学

18什么是纳米化学？

19分子自组装与材料自组装

110什么是多级组装？

111引导的自组装

112超分子的视角

113自组装材料的族谱

114通向多孔固体材料

115向生物矿物学习——形貌即功能

116你能让晶体弯曲吗？

117无处不在的图案

118天然形态的人工合成

119材料的二维组装

120自组装单层膜与软印刷技术

121巧妙的团簇

122纳米线的前景

123操纵胶体

124介观尺度自组装

125集成体系的材料自组装

参考文献

思考题关于材料化学、纳米化学、自组装材料的族谱、材料自组装和

尺度

第2章化学图案化与软印刷

21针尖上的主祷文

22软印刷技术

23什么是自组装单层膜？

24软印刷技术的科学与艺术

25表面润湿性能的图案化

26凝聚形成的图形

27微透镜阵列

28纳米环的阵列

29自组装单层膜的集成

210固体表面的图案化

211印刷高分子

212超越分子——薄膜的转移印刷

213活细菌的接触印刷

214自组装单层膜的电接触

215自组装单层膜上的晶体工程

216学习自然界的生物晶体工程学

217湿的印章——奇妙的Liesegang环收缩

218湿刻图案

219胶体微球图案

220自组装单层膜上图案化的蛋白石阵列

221可变换功能基团的自组装单层膜

222通过光催化进行图案化

223可逆的自组装单层膜开关

224电润湿开关

225可调节表面形态的PDMS——可变形的模子

226“甜”的芯片

227横向剪切的图案印刷

228纳米剖层

229单孔道分辨率的氧化铝纳米孔道图案

参考文献

思考题关于软印刷、自组装单层膜和图案化

第3章层层自组装

31一次组装一层

32静电超晶格

33有机聚电解质多层结构

34层层智能窗

35厚度多少才算薄？

36组装金属有机聚合物

37聚电解质多层膜的直接成像

38聚电解质胶体多层膜

39具有组成分布的层层自组装膜

310层层自组装微机电系统

311捕获活性蛋白

312负载蛋白的多孔多层膜

313弯曲表面上的层层组装

314微晶体的包裹——聚电解质涂层的结晶药物释放系统

315用作药物运输的可降解层层自组装膜

316纳米气泡——新一代的超声造影剂

317取向分子筛膜的晶体工程

318有序的沸石多晶体阵列

319交联的晶体阵列

320多层布拉格堆叠中可调变的结构颜色

321二维层层组装的结构颜色

322拓扑复杂结构的多层化

323图案化的多层膜

324非静电的层层自组装

325低压制备多层膜

326层层自受限反应

参考文献

思考题单层膜、多层膜、材料平面的设计

第4章纳米接触印刷和蘸写——印章和笔尖

41100nm以下的软印刷技术

42微接触印刷的延伸

43加压印刷

44缺陷图案化——拓扑引导的刻蚀

4550nm以下的纳米接触印刷

46纳米接触印写——蘸笔纳米印刷（DPN）

47硅表面上的DPN技术

48玻璃上的DPN技术

49半导体纳米线上的纳米印写

410溶胶凝胶的DPN技术

411硬磁体上的软图案技术

412分子识别的印写

413蛋白质识别纳米结构的DPN技术

414DPN阵列技术检测HIV病毒

415生物构造的图案化

416噬性图案——酶的DPN技术

417静电DPN技术

418电化学DPN技术

419纳米电化学扫描探针显微镜

420超越DPN技术——电消减制备纳米结构

421纳米电纺纤维

422有机发光二极管针尖——具有纳米尺度扫描探头光源的

原子力显微镜

423热的针尖——DPN烙铁

424结合纳米和DPN技术的组合数据库

42550000个针尖环绕

426纳米记事簿

427基于PDMS印章的纳米尺度图案——DPN方式

428扫描探针接触印刷

429蘸笔纳米印刷的印章针尖

430两种技术的平衡

431纳米妖怪已经出瓶

参考文献

思考题更精细的化学图案工具

第5章纳米棒、纳米管和纳米线的自组装

51结构单元的组装

52模板法制备纳米线

53直径可控的金纳米棒

54组成可调的纳米棒

55条码纳米棒的正交自组装

56纳米盘编码

57表面增强拉曼光谱

58自组装纳米棒

59磁性纳米棒束

510磁性纳米棒与磁性纳米簇

511吸引生物分子

512多级有序纳米棒

513纳米棒器件

514用具有纳米孔道的模板制备纳米管

515由纳米棒层层沉积制备纳米管

516单晶半导体纳米线的合成

517气液固相纳米线合成

518纳米线取向生长的控制因素

519等离子体与催化的结合

520纳米线的量子尺寸效应

521单一来源的前驱体

522超临界流体——液态固态合成

523超细纳米线——纳米热电学

524多种组成和构型的纳米线

525纳米针

526操控纳米线

527膜泡中的纳米管和纳米线

528交叉的半导体纳米线——最小的发光二极管

529纳米线二极管和晶体管

530纳米线传感器

531纳米线催化电子器件

532纳米线异质结构

533纵向超晶格纳米线

534纳米离子学：纳米棒的离子交换

535同轴纳米线异质结构

536分支纳米线

537同轴门控纳米线晶体管

538垂直纳米线场效应晶体管

539集成金属半导体纳米线——纳米级电触点

540光子驱动纳米线激光

541电驱动纳米线激光

542紫外纳米线探测器

543复合纳米线

544用纳米线制备单晶纳米管

545纳米线的溶液相合成

546纺丝纳米线器件

547电纺丝法制备空心纳米纤维

548碳纳米管

549碳纳米管的结构和电学性质

550弹道传输

551碳纳米管纳米力学

552碳纳米管化学

553排成一行的碳纳米管

554碳纳米管光子晶体

555随心所欲地放置碳纳米管

556挑战纳米线间隙

557集成纳米线的纳米电子器件

558硅纳米线太阳能电池——自供电的纳米电子设备

559透明纳米电子电路

560压电式纳米线发电机

561碳纳米管无线电接收器

562硅纳米线纳米机电系统：高频谐振器和超高灵敏度质量监测系统

563记忆犹新的纳米线

564长篇大论之后的一点思考

参考文献

思考题线、棒、管、低维度

第6章纳米晶体的合成与自组装

61结构单元的组装

62纳米晶体、纳米簇还是纳米颗粒？

63包覆半导体纳米晶体的合成

64纳米晶体箱中的电子和空穴

65纳米团簇相变

66观测纳米晶体的生长

67纳米烧杯中的纳米晶体

68包覆的金纳米晶体——纳米淘金潮

69硫醇配体包覆金纳米簇的单晶X射线衍射结构

610烷基硫醇包覆金纳米簇的检测

611包覆纳米晶体的分类

612纳米晶体的研究热潮

613包覆纳米晶体的结构和形貌

614烷基硫醇包覆银纳米晶体超晶格

615活性表面等离子体——可调的银纳米晶体超晶格

616纳米晶体组成的晶体

617导电的纳米晶体超晶格

618纳米协同效应

619如果你不喜欢有机物

620二元纳米晶体超晶格

621包覆磁性纳米晶体超晶格——高密度数据存储材料

622包覆纳米晶体的软印刷

623利用蒸发组织纳米晶体

624纳米“漏斗”底部的宝贝

625电致发光半导体纳米晶体

626全彩纳米晶体聚合物复合材料

627轻触纳米晶体开关

628光致变色的金属纳米晶体

629水溶性纳米晶体

630生物分子与包覆半导体纳米晶体

631用于癌症治疗的热纳米棒

632纳米金颜色的来源

633纳米晶体DNA传感器——精益求精

634识别指纹的纳米晶体

635DNA金联合探测汞

636纳米晶体半导体合金及其拓展

637核壳磁性合金纳米晶体

638纳米晶体的孔洞

639半导体纳米晶体的延伸和拓展

640无机树枝状结构

641超支化纳米晶体

642纳米金末端——纳米棒的接触

643纳米晶体二聚体、异质二聚体、异质三聚体和链的设计组装

644碳纳米团簇——巴基球

645用C60构筑纳米器件

646用C60进行碳催化

参考文献

思考题纳米晶体、量子点、量子尺度效应

第7章微球——来自烧杯的颜色

71自然界的光子晶体

72光子晶体

73光子学中的半导体

74缺陷，缺陷，还是缺陷

75用光来计算

76颜色调节

77将自然界的光子晶体技术用于实验室

78微球结构单元

79二氧化硅微球

710聚合物微球

711多层微球

712微球合成和微流体反应器中的微气泡产生

713图案化的微球——内部和外部

714微球自组装基础

715微球自组装——晶体和薄膜

716胶体晶体流体

717超越微球的面心立方堆积

718模板——限域作用和外延生长

719展开多彩的蛋白石地毯

720光子晶体球

721有识别能力的胶体晶体

722光子晶体纤维

723胶体晶体的光学性质——BraggSnell定律

724胶体晶体的基本光学性质

725如何才称得上完美

726开裂的矛盾

727合成完全光子带隙

728从介电微球牢笼里逃出——单分散金属微球的自下而上和自上而下合成

729写出缺陷

730智能化的平面缺陷

731更聪明的平面缺陷

732基于光的光开关

733热致变色胶体光子晶体开关

734液晶光子晶体

735内部的光源

736光子墨水

737全色光子晶体显示

738弹性光子晶体——彩色指纹提取与防伪

739磁调制的光子晶体——磁性液体颜色

740电场调制颜色的胶体晶体

741颜色振荡

742光子晶体传感器

743胶体晶体色谱

744穿过胶体晶体的高分子

745快速路上的慢光子

746增强的和方向依赖的光催化

747在硅太阳能电池中增强光电导率

748光子晶体加密

749美杜莎化学——石头的蝴蝶

750凝视光子晶体

参考文献

思考题胶体组装、胶体晶体、胶体晶体器件、结构颜色

第8章软结构单元构筑的微孔和介孔材料

81逃离沸石的囚笼

82多孔材料的元素组成

83微孔材料的模块自组装

84储氢配合物多孔材料

85结晶共价有机骨架材料

86微孔材料的总结与展望

87介观尺度软结构单元

88介观生长——界面和介观外延

89介观生长和拓扑缺陷

810介观生长——胶束还是液晶模板

811介观尺度的蛋白石结构

812设计介孔材料

813尺度调整

814介观结构与维度

815阳极氧化铝多孔膜中的介孔取向

816制备垂直取向的介孔孔道

817垂直取向介观孔道的其他方法

818电化学辅助组装垂直孔道的有序介孔二氧化硅薄膜

819介观形貌——球或其他形状

820有望用于高效液相色谱的有序介孔有机硅材料

821介观形貌——曲面形貌的可控合成

822介观形貌——手性介孔二氧化硅

823介观形貌——图案化薄膜，软印刷和微模塑形

824介观组成——前驱体的性质

825介孔孔壁的功能化

826骨架中的有机基团

827一步法合成介孔结构酚醛树脂材料和复制碳结构

828介孔复制

829有序介孔二氧化硅形貌的复制

830介观结构

831有序介孔二氧化硅中的近结晶孔壁

832介孔中的客体

833介孔二氧化硅纳米粒子用于智能药物缓释

834穿越不可透过膜

835包覆纳米晶体

836在介孔二氧化硅中标记时间——光学存储的新途径

837有序介孔二氧化硅——聚合物杂化材料

838介观化学——中间尺度上的材料合成

参考文献

思考题模板、前驱体、孔材料

第9章嵌段共聚物的自组装

91纳米化学中无处不在的聚合物

92嵌段共聚物自组装

93组装无机聚合物

94嵌段多肽

95嵌段共聚物的生物工厂

96嵌段共聚物薄膜

97电致有序

98嵌段共聚物的空间受限

99嵌段共聚物的三维空间受限

910纳米外延

911胶束制备

912活性嵌段共聚物产生的活性柱状胶束

913通过嵌段共聚物胶束的层层自组装构筑纳米孔抗反射涂层

914超分子组装

915超分子蘑菇结构

916来自光波尺度嵌段共聚物的结构颜色

917一维嵌段共聚物空间受限——多级布拉格反射镜

918颜色可调的嵌段共聚物凝胶布拉格反射镜

919驾驭刚性棒

920纳米结构陶瓷

921纳米单体

922嵌段共聚物刻蚀

923装饰嵌段共聚物

924嵌段共聚物的润湿性

925嵌段共聚物中的纳米线

参考文献

思考题嵌段共聚物自组装纳米结构

第10章生物材料与生物启示

101捷足先登的大自然

102模仿还是应用？

103真假化石

104大自然的雕塑作品

105从古到今的合成形态学

106仿生学

107材料设计的生物启示

108生物矿化和仿生模拟

109形态合成——复杂形貌的无机材料

1010形态合成——棘皮动物与嵌段共聚物

1011磷酸铝的形貌

1012化学合成的人工骨骼

1013矿化纳米纤维

1014蚊眼仿生——合成抗雾表面

1015生物启发——化学驱动的纳米棒电动机

1016生物启发——向自然学习

1017生物启发——病毒外壳引导的纳米簇合成

1018生物材料——借助自然

1019闪金光的病毒

1020核酸引导的纳米簇组装

1021DNA编码的纳米簇链

1022用DNA构筑材料

1023用你的DNA画一个笑脸

1024细菌引导的材料自组装

1025借助病毒的组装

1026磁性蛛丝

1027用作掩模的S层蛋白

1028自上而下制备的光子晶体

1029生命形态的聚合物

1030选择性的表面结合

1031纳米线的进化

1032生物分子马达——随处可见的纳米机器

1033生物马达是如何工作的

1034行走的驱动蛋白

1035以肌肉为动力的纳米机器

1036细菌动力

1037ATP酶——生物马达纳米螺旋桨

1038来自生物的启示

参考文献

思考题有机质、生物矿化、仿生、生物启发

第11章大尺度结构单元的自组装

111超微米结构的自组装

112基于毛细作用的自组装

113大尺度多面体结构单元的“结晶”

114二维和三维电路和器件的自组装

115微米尺度平面结构单元的“结晶”

116带有图案化表面多面体的自构筑

117大尺度球形结构单元自组装成三维“晶体”

118合成的微机电系统？

119接触带电——带电球的有序排列

1110磁性自组装

1111动态自组装

1112自主的自组装

1113自组装与合成生命

参考文献

思考题静态和动态，毛细作用，形状组装

第12章纳米及纳米之外

121自组装的未来

122微流体

123单纳米线太阳能电池

124可拉伸硅

125用金来抑制HIV

126变脸的纳米立方体

127纳米矿物质

128纳米火箭

129空心纳米结构

1210在纳米尺度上输运

1211用3D黏墨书写

1212纳米线掩模

1213液体激光器

1214用纳米线和纳米晶体修复

1215通过DNA组装纳米晶体

1216石墨烯——电子学的王子？

1217自愈合材料

1218多铁性材料

1219材料的逆组装

1220更重要的——“下一代”材料

参考文献

思考题纳米集萃

第13章纳米化学实验室

131荧光纳米环阵列

132铁磁性纳米晶体阵列

133沸石膜

134电致变色的装置

135尺度减小的软印刷

136条码磁性纳米棒的自组装

137碳纳米管场发射显示器

138光导硒纳米线

139金属胶体

1310金属非金属转变

1311量子点的近红外发射

1312纳米烧杯中的纳米晶体

1313胶体光子晶体的指纹识别

1314胶态晶体的毛细管柱

1315低介电常数薄膜

1316嵌段共聚物蚀刻

1317病毒引导的矿化

1318生物材料模板

1319宏观尺度自组装

1320胶体晶体的形状

附录A“自组装”一词的起源

参考文献

附录B纳米化学的起源

参考文献

附录C纳米粒子的细胞毒性

参考文献

索引717

作者简介

《纳米化学：纳米材料的化学途径》是纳米化学领域的首部教科书，论述了纳米材料制备的化学策略以及材料自组装的原理。主要内容包括纳米化学原理、化学图案化与软印刷技术、层层自组装、纳米材料的制备及组装、胶体晶体、微孔与介孔材料的自组装合成、嵌段共聚物的自组装、生物材料及仿生合成等方面的内容。

《纳米化学：纳米材料的化学途径》从化学的视角描述纳米科学的基本原理，具备足够的广度和深度，而在两者之间又更注重其广度，力图化繁为简、全面合理地展现纳米科技领域。每章的最后都附有一些没有明确答案的思考题，希望为读者解决自己研究领域中的问题提供灵感，指引方向。

“《纳米化学：纳米材料的化学途径》首次采用一种全面和综合的方式来阐述该领域广博的内涵、既成的影响以及巨大的潜力。在我看来，《纳米化学：纳米材料的化学途径》是目前关于纳米化学的最佳教科书。” ——Chad A. Mirkin

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