软模板法合成纳米材料的研究进展

·56·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

软模板法合成纳米材料的研究进展*

阮 秀,董 磊,于 晶,于良民,杨玉臻

()中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,青岛266100

摘要  介绍了近年来合成高分子模板法、生物高分子模板法、表面活性剂模板法、有机小分子添加剂模板法制备纳米材料的研究进展,重点介绍了模板剂诱导不同形貌和结构的纳米材料形成的作用机理。因合成高分子模板制备简单,结构设计灵活,生物高分子模板绿色环保,能更精确调控纳米材料结构,故详细综述了这2种方法。

关键词  纳米材料 软模板 合成

TheProressofNanomaterialsPrearedinthePresenceofSoftTemlate          gpp

,,,,RUANXiuDONGLeiYUJinYULianminYANGYuzhen     gg

(,M,KeLaboratorofMarineChemistrTheorandTechnoloinistrofEducationOcean    yyyygyy     

,Q)UniversitofChinaindao266100  yg 

,roressolmerAbstractheofresearchonsnthesisofnanomaterialswithtemlatinmethodbiomacro  T          -pgpyypg 

,moleculetemlatinmethodsurfactanttemlatinmethodandsmallmoleculeoranicadditivestemlatinmethodare         pgpggpg   ,withemhasisontheschemeaboutsnthesisofnanomaterialswithdifferentmorholoiesandstructuressummarized             pypg,olmeroltemlateinduce.Becauseofsimlesntheticmethodandflexiblestructuredesinoftemlatinnonthat             -p-pyppygpg,lutinandreciselreulatinthenanostructuresofbiomacromoleculetemlatinsothearerevieweddetailedl.        gpyggpgyy    

,,Kewordsanomaterialssofttemlatesnthesis  n pyy 

化学性质而在光电转化、工  纳米材料因其独特的物理、

业催化、生物医学等领域具有广阔的应用前景,因此,纳米材料的制备方法成为目前研究的热点。纳米材料的制备方法

1,2]

,一般分为物理法和化学法[物理法又分为蒸发冷凝法、物

调控无机材料成核与结晶形成特殊形貌、尺寸、结构特征的深层原因。由此,人们对于软模板法合成无机材料中模板剂

4]

。的选择范围扩展到聚合物、小分子添加剂等更广的领域[

本文主要从以下4方面介绍近年来软模板法在合成纳米材料中的应用:①合成高分子模板法;②生物高分子模板法;③表面活性剂模板法;④小分子有机添加剂模板法。

理粉碎法、机械合金化法等;化学法分为化学沉淀法、水热合模板法等。在化学法中,由于模板法能够更好地控制成法、

3]

。纳米材料的粒径、形貌,近年来受到大量研究者的关注[

根据模板的特点,模板法可以分为硬模板法和软模板法,而各类软模板法是合成一维纳米棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等纳米材料的一项有效技术。软模板法是指模板剂通过非共价键作用力,结合电化学、沉淀法等技术,使形成不同的结反应物在具有纳米尺度的微孔或层隙间反应,

并利用其空间限制作用和模板剂的调节作用对合成构材料,

材料的尺寸、形貌等进行有效控制。

人们注意到生物矿化过程中生物高20世纪80年代末,

分子通过分子自组装、分子识别等过程对生物矿物的生成起这与模板法合成纳米材料中的模板剂具有同样到模板作用,

的作用,因此开始将生物矿化、分子自组装的相关理论应用并有目的地进行仿生合成。在最初的仿生到模板合成法中,

合成中,人们一般采用天然提取的或人工合成的生物大分后来发现有机-无机界面上存在的分子识别关系是有机物子,

1 合成高分子模板

合成高分子模板制备简单,在结构设计上灵活,在纳米嵌段高分子、接枝材料合成中主要包括均聚与共聚高分子、高分子、树枝状高分子等种类。

1.1 均聚与共聚高分子

均聚与共聚高分子结构简单、容易合成,用作模板时具有特殊的优势,即易于研究作用机制。均聚与共聚高分子的模板作用主要体现为高分子链的亲水基团(如羧基、氨基等)对晶体生长的诱导吸附作用及疏水性高分子主链对颗粒的包覆作用。

5]

颜焱[在合成纳米晶T将聚丙烯酸iO2粉体的过程中,

(通过羧基以氢键形式与TPAA)iO2表面羟基相互作用诱导

同时P了TiOAA高分子链的疏水性作用在2晶相的形成,TiOiO2表面形成的包覆限制了T2粒子的生长。杨菊香

);)国家自然科学基金(63计划(2008AA09A40250673085;20060423017;A1420080191 *8

::女,硕士研究生,主要从事环境友好型海洋防污涂料的研究 T1985年生,el053266782512 E-mailmumen2008@163. 阮秀:-g

“:通讯作者,男,长江学者”特聘教授,博士生导师,长期从事环境友好型海洋防污涂料的研究开发 E-mcom 于良民:ailuan@yyouc.edu.cn

软模板法合成纳米材料的研究进展/阮 秀等

6]等[以丙烯酰胺(和甲基丙烯酸(的共聚物微球AM)MAA)

·57·

最终促成BBaCaC2O4晶体择优取向生长,2O4聚集体的形

/为模板制备了P(该过程是AM-CO-MAA)Cu2O复合微球,

2+

先通过羧基及胺基的配合作用将C均匀分布于高分子微u2+球骨架上,然后再将C还原为纳米级C该复合微球既uu2O,

又有纳米材料大比表面积的优有微米级材料易分离的特点,

[]

诱导合点。Fu等7用聚苯乙烯-丙烯酸共聚物(PSA-PAA)

/成了P在甲苯溶剂中溶解得到空SACdS的核/壳复合材料,

[8]

为诱心CdS纳米粒子。JianPVP)g等以聚乙烯吡咯烷酮(

导剂,得到长为几十厘米、直径为40nm的直线形和V形银

纳米线。模板与晶体之间的吸附和解吸作用对晶面和空间见图格架的不同诱导作用得到了弯曲度不同的V形纳米线(

9]

)。也有文献[报道,利用带相反电荷的共聚物和表面活性1

剂混合体系诱导纳米粒子的合成,可能是在晶体表面高聚物

和表面活性剂的强烈缔合作用下引导了晶体形貌的形成

图1 聚乙烯吡咯烷酮作用下不同弯曲度的

银纳米线的TEM图

Fi.1 TEM microrahofsilvernanowireswithdifferent     ggp

bendinresenceanlesintheofPVP     gpg 

图2 不同浓度的PEGbPMAA作用下纳米--

颗粒BaCOEM图24的S

Fi.2 SEM microrahsofBaCOanoarticlesinthe    ggpp24n

ofPEGbPMAAatdifferentresence  --  p

concentrationsolmer py

1.2 嵌段高分子

嵌段共聚物是由于以共价键相结合的不同嵌段间的物理和化学性质不同,使得其在选择性溶剂中自发产生微相分因此可以利用嵌段共聚物内部的有序微相结构作模板来离,

调整纳米材料的表面性能和晶体的成核生长机理。在嵌段共聚物中,促溶链段主要起分散稳定纳米颗粒的作用;粘合从而达到控制无链段则选择性吸附于无机物的特定晶面上,

机粒子形貌的作用。与均聚与共聚高分子相比,嵌段共聚物表面改性的纳米材料。更有利于得到形貌特殊、

[0]

以三嵌段共聚物PBastakoti等1SbPAA-bPEG在水---

中形成的核-壳-花冠形的胶束体系为模板,得到了孔径为

1.3 接枝高分子

接枝共聚物在诱导晶体的生长过程中起着很重要的作用,它比嵌段共聚物更容易制备,在结构设计上更加灵活,以其为模板更容易制备出核壳结构的复合材料或空心纳米材料。

[4]

将亲水性的PKoh1OEM聚合物接枝到疏水性的

共聚物上,利用两亲分子P(P(VDFcoCTFE)VDFcoCT-----

FE)POEM的自组装合成了粒径为10~25nm的介孔--g

[5]

利用两亲性梳状接枝共聚物PTiOSeo1VCPSSA为--g2。/模板,得到粒径为20~30nm的PVCPSSAAAu粒子,--gg

电镜显示该粒子是以AAu为壳的核/壳复合纳米粒g为核、)。子(见图3、图4

[6]

以SGao1iOPEG为接枝的纳米颗粒PEGSiO-2为核、2

为模板,将管状的马来酸酐-EG接枝上α-环式糊精引入到P

胶束体系中带负电中心的P20nm的空心CaCOAA嵌段与3,

2+

通过静电架桥作用控制晶体的生长,而具有表面活性的Ca

[1]

在嵌段共PEG嵌段则阻止了纳米粒子的团聚。Chatteree1j

用N聚物PDMA-bPMMA-bPDMA的水溶液中,aBH4还--

3++

/原A得到了AuAu-Ag无机前驱体,g复合纳米材料。[2]

利用两亲性嵌段共聚物PAlexandridis1EObPPObPEO----

超分子体系聚轮烷,再通过乙烯胺将聚轮形成管状的SiO2-烷相邻基团交联起来,除去核S得到了以αiOEG,-2和接枝P环式糊精为壳的中空球形纳米材料,机理如图5所示。

在水中的自组装效应制备出能够稳定存在的胶体状分散体金纳米粒子,自组装体在金属离子上的吸附作用控制了晶体

13]

的生长和形貌。张冬柏等[用双亲水嵌段共聚物PEGb--

1.4 树枝状高分子

树枝状化合物由于具有大量的端基官能团、分子内空腔等特点而被广泛用于纳米材料的合成中。由于聚酰胺-胺(树形分子高度支化的结构带来的内部空腔和表PAMAM)

面官能团,其成为封存和吸附金属离子的最佳场所。因此,树枝状化合物的模板作用主要是利用内部空腔的封存和吸

共聚物浓度对粒子的形貌PMAA诱导合成了BaC2O4粒子,

。链段PMAA中的羧酸根与晶面之间有很大影响(见图2)的分子识别作用以及PEG链段与粒子间的相互作用诱导了

·58·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

附、表面官能团的配位络合等作用力来诱导纳米颗粒的生长

2 生物高分子模板

由于生物高分子具有利于模拟生物矿化过程、自组装过因此,生物模板控制纳米材料的合成是程重复性高等优点,

以D蛋白质、多糖一个极具潜力的发展方向。近年来,NA、合成高度有序等为模板对无机纳米粒子进行生物矿化诱导,

结构的无机纳米材料的研究备受重视。生物高分子来源广泛,分子结构复杂,能够调控出结构更加复杂、形貌高度可控的纳米材料。

2.1 DNA模板

有很强的分子识别能DNA由大量的脱氧核糖肽构成,

并且可通过控制形状、长度和序列来调控力及自组装能力,

[20]

其自组装。WanNA分子为模g等利用长度相同的直链D

板,通过控制DNA的序列合成出花辨状和球形的金纳米粒,DNA和金纳米粒之间的静电排斥作用阻止了颗粒间的团

[21]

聚。DonNA结构,g等利用云母和烃基单层固定和控制D实现对量子C按照DdS纳米粒组装,NA链状结构合成出珠链状及线状纳米结构。

2.2 蛋白质模板

酪蛋白可视为由亲水性和疏水性氨基酸构成的天然两

22]亲嵌段型共聚物,在溶液中易于自组装形成胶束。刘燕[利

用酶蛋白胶束为模板,并以其自身为还原剂,制备出形貌和尺寸可控的纳米金。实验发现,由于酶蛋白胶束的保护作高浓度的酶蛋白有益于小尺寸纳米金生成。病毒可以看用,

[23]作是蛋白质的超结构,具有丰富的表面结构。M将anocchi

用次磷酸钠还烟草花叶病毒的表面改性后组装到金碎片上,

原N在病毒表面得到了粒径为4~1aPdCl6nm的球24溶液,

[24]形Pd纳米颗粒。Schnepp等以胶原蛋白的水解产物凝胶2+

利用网络状凝胶和F间的相互水溶液为生物高分子模板,e

作用,经过一系列高温煅烧得到了粒径为20nm的FeC颗3粒。

2.3 多糖类模板

海藻酸钠是一种生物相容性好的天然高分子材料,它含

[25]

有大量性质活泼的游离羧基和羟基。Wang等将海藻酸2+3+钠中的羧基负离子与金属阳离子Nil 和A 通过静电作用

力交联起来,然后在尿素的水解溶液中共沉淀形成三维层状Nil金属复合氢氧化物。在不同浓度的金属离子作用下,-A

氢氧化物自组装形成不同形貌及不同尺寸的纳米粒子,机理如图6所示。

环糊精是具有腔内疏水、腔外亲水的两亲性特点的天然

研究了PUmeda等1EG接枝的树枝状聚合物PAM-

利用PAM的模板作用,AMAM内部空腔与AuCl4间的吸

[]

[6]

以β为模板制备出粒径为高分子,Xiao2CD)-环式糊精(-β

,1.00m的球形羟磷灰石(HAP)CD腔外的羟基官能~3.-μβ2+

团和C之间的相互作用对HAaP晶体的成核和生长有重要作用。细菌纤维素是一种具有多孔性结构的天然纳米高

在N得到了尺寸分布很窄的金纳附作用,aBH4还原作用下,米颗粒,在晶体生长过程中,PEG链稳定了金胶体粒子。金

18]2+

磊[利用以苯环为中心的P之间的配位作AMAM和Cu

它被大量的原纤维分散成一个个直径为1分子材料,00~

[7]

利用该网络结构合成了300nm的中空网络管道,Hutchens2

一种约1单分散性的球形纳米缺钙磷灰石团簇,细菌纤m、μ2+

之间维素中羟基官能团含有的负离子偶极作用和游离Ca

用,用化学还原法制得了粒径均一、分散性好的铜纳米粒子。

19]

周旭[利用同样的原理,以三乙醇胺为核的PAMAM树枝

状大分子为模板,制备出粒径约2分散性良好的金纳米0nm、粒子。

的螯合作用诱导了晶体的生长。

软模板法合成纳米材料的研究进展/阮 秀等·59·

入有机添加剂,在中性和酸性体系下分别合成出二维六方有

[34]

序结构的SiOZhang报道了一种在水溶液沉2介孔材料。

)诱淀法下用非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(OP10-

纳米材料的方法,导合成羟磷灰石(HAP)OP10中EO链段-

2+

之间的相互作用诱导HA和CaP沿着晶轴的C轴生长形

)。见图7成了骨状纳米材料(

图6 三维Nil层状双氢氧化物的形成机理-AFi.6 Theschemeaboutsnthesisofthreedimensional     -gy

assembledNiAlLDHnanostructuresself- - 

图7 聚乙二醇辛基苯基醚羟作用下羟磷灰石的SEM图

resenceFi.7 SEM microrahofHAPinthe     pggp

oftritonX100  -

3 表面活性剂模板

人们利用表面活性剂分子的自组装效应、立体几何效应,通过表面活性剂分子极性头基与无机物种之间的非共价使无机物在模板上成核、生长、变形和堆砌,从键相互作用,

28]

。在纳米材料合成而实现对纳米材料尺寸和形貌的调控[

4 有机小分子添加剂

有机小分子添加剂如L半胱氨酸等,常被用作-赖氨酸、模板来制备不同形貌的纳米材料。有机小分子添加剂在控制晶体成核生长方面能够发挥重要作用,它含有的氨基、羧通过改变反应参数,基等极性官能团具有较强的配位能力,能得到不同形貌的纳米颗粒。

35]

潘军[利用L由-赖氨酸辅助水热沉淀法合成了三维、

中常用的表面活性剂有离子表面活性剂和非离子表面活性剂。

3.1 离子表面活性剂

离子表面活性剂的模板作用主要表现为表面活性剂中从的亲水基团和无机化合物之间通过静电作用力相互结合,而吸附到颗粒的表面,诱导晶体的生长,阻止粒子间的团聚。周广军

[29]

纳米片组装的空心八面体锡酸锌分级结构,实验考察了L-赖反应时间、温度等反应参数对晶体形貌的影响。氨酸的量、

36]

韩洪亮[以半胱氨酸自身为还原剂和模板合成出单分散性

在合成过程中,半胱氨酸结构中的巯基氧化的金纳米颗粒,

结合成胱氨酸,胱氨酸结构中的氨基结合在金纳米粒子表

[37]

起到了限制保护作用。W以Z面,ann-g等在水热条件下,2-

()利用乙醇胺(和[OAcEA)Zn(OH)2为前驱体,4]之间的

2+

//竞争吸附作用,改变ZnNaOH及EAH2O的物质的量

利用阳离子表面活性剂CTA和CrO

[30]

2-

4之间的离

子对作用引导了P同时引入有机bCrO4纳米棒的定向生长,聚合物PEG控制纳米棒的形成。Pal等

/正己在CTAB

醇/水的微乳液环境中,利用液相还原法,使定向排列在胶束周围的CTA+通过静电作用诱导合成了不同形貌的

、、、。GFeCox=0.250.60.680.85)anulgyx1-x纳米粒子(

31]

等[在水热条件下,利用离子表面活性剂SLS和CTAB与

)。比,得到了花瓣状、伞状和六边形的Z见图8nO纳米颗粒(

前驱体之间的静电作用,分别制备出不同孔径的SiO2介孔材料。另外,在表面活性剂和聚乙二醇的混合作用下,聚乙二醇含有的羟基官能团对产物的性能有很大影响。

3.2 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂的模板作用主要表现为表面活性剂中的亲水基团和无机化合物表面羟基基团通过氢键作用力相互结合,从而诱导晶体的成核和生长,得到不同形貌的纳

[32]米材料。H以高浓度ung利用溶剂蒸发诱导自组装原理,

图8 不同反应参数下ZnO的FESEM图-

Fi.8 FESEM microrahsofZnOindifferentconditions-     ggp

5 结语

模板法由于其自身的优异特性而被广泛应用。制备简易于人工合成或修饰的合成高分子模板和绿色、来源广单、

泛的生物高分子模板是纳米化学合成的重要出路和推动力。合成高分子模板制备比较简单,易于研究其作用机制,能够

的非离子表面活性剂P123在正丁醇中形成的胶束为模板,制备出规则的六角形介孔材料T系统研究了模板/前驱iO2,体物质的量比对纳米材料的孔径、孔容积等性能的影响。邸

33]岩[利用非离子半氟表面活性剂F同时引SN胶束为模板,

·60·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

通过调整高分子的结构达到特殊模板作用;生物高分子复杂的分子结构及大量的官能团共同作用能够调控出结构更加分散性更好、粒径更均一的纳米材料。复杂、

在纳米化学的高速发展过程中,虽然已制备出不同维度但仍需发展简单、具有普适性的合成方法,以期的纳米材料,

分散度及微观结构的精确控制。此外,新实现对产物形貌、

软模板的选择、合成及其作用机理的研究对纳米材料制备具有更加重要的意义。

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oftheuseoftantalumfemoralconesforrevisiontotalknee          

],arthrolastJ.JBoneJointSurerericanVolume   -Am py[gy2011,93A:478

A,CattaneoG,TedinoR.Useoftantalumtrabecu28Camera      -

]larmetalintotalkneearthrolastJ.MinervaOrtoedi      -py[p,():caeTraumatoloica2010,613159 g

o29MenehiniR M,LewallenDG,HanssenA D.Useof      -pg

roustantalum metahsealconesforseveretibialboneloss       py]durinrevisiontotalkneerelacemen[J.JBoneJointSur      -gp ,erericanVolume2008,90A:78-Am gy

30MinodaY,KobaashiA,IwakiH,etal.Comarisonof     yp

orousbonemineraldensitbetweentantalumandcemented      py 

]totalkneearthrolastcomonents[J.JBoneJointtibial     pyp ,):ericanVolume2010,92A(3700Surer-Am gy

31ShimkoDA,ShimkoVF,SanderEA,etal.Effectofo         -p

rorositonthefluidflowcharacteristicsandmechanical       -py 

]ertiesoftantalumscaffolds[J.JBiomedMaterResPart       p

,):B:AlBiomater2005,73B(2315 pp

roerties32CaiW,ChenY,ZhenYF,etal.Biomedical    ppgg  

]ofrearedlatintantalumcoatinsbmultiarcionJ.      -pppg[gy :MaterSciForum,2005,4754792349  -33ChenJY,HuanN,YanP,etal.Behavioroflateletad      -ggp  

/hesionontantalumcontaininTiTifilmsnthesized   -O-N  gy //Cbmanetronsutterindeosition[C]ontributionsof  ygpgp  EnineerintoModernManufacturinandRemanuSurface    -ggg  

rd —Pfacturinroceedinofthe3InternationalConferenceon    gg 

,SurfaceEnineerin.Chendu2002:473 ggg

34ChenJY,LenYX,ZhanX,etal.Effectoftantalum      gg  

contentoftitaniumoxidefilmfabricatedbmanetronsut       -ygp terinonthebehaviorofculturedhumanumbilicalveinen        -g ]dothelialcells(HUVEC)[J.NuclInstrum MethodsPhs   y,ResSectB:BeamInteractMaterAt2006,242:26     

35BallaV K,BanereeS,BoseS,etal.Directlaserrocessin      jpg

atantalumcoatinontitaniumforbonerelacementof       gp 

[],structuresJ.ACTABiomater2010,6:2329 36EriksenS,GillesberB,LanmaackLN,etal.Tantalum    gg 

coatedcarboncarboncomositematerialforsuricalim- -     pg[//lantsC]MedicalDeviceMaterialsⅡ:Proceedinsfrom   pgtheMaterials&ProcessesforMedicalDevicesConference      ,2004.Minnesota2005:241

37LiHS,ZouX N,WooC,etal.Exerimentallumbarsine       pp

]fusionwithnoveltantalumcoatedcarbonfiberimlant[J.   -   p,:JBiomedMaterResPartB:AlBiomater2007,81B(1)      pp194

38CortecchiaE,PacilliA,PasuinelliG,etal.Biocomatible    qp

/]olmertwolaertantalumtitaniahbridcoatinJ.Bio- -p  -yyyg[

,macromolecules2010,11:2446

(责任编辑 程 绩)

檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸

[],():(100J.CeramInt2010,3632441上接第6 0页)

,W,H,32HunIMinanYihuanChenfaetal.Effectsof   ggggg   

temlatinsurfactantconcentrationsonthemesostructureof     pg mesoorousanataseTiOanevaorationinducedordered    -pyp2b [],:selfassemblmethodJ.JEurCeramSoc2010,30(10)-   y 2065

33邸岩.非离子半氟表面活性剂导向下新型介孔或超微孔材

料的合成与表征[D].长春:吉林大学,2006

,J,Z,e34ZhanJinxianianDonlianhanJunlintal. ggggggg   

Snthesisoforanizedhdroxaatite(HA)usintritonX    -ygyypg 

35潘军.有机分子辅助的半导体纳米材料的控制合成与性能

研究[D].合肥:中国科学技术大学,2010

36韩洪亮.利用半胱氨酸制备生物相容性纳米颗粒的研究

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,,W,37WanXinuanZhanQinlinanQianetal.Control  -gjggg  

lableZnOarchitecturesbethanolamineassistedhdrother   - -yy []hotocatalticmalreactionforenhancedactivitJ.JPhs      pyyy():ChemC,2011,11562769 

(责任编辑 程 绩)

·56·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

软模板法合成纳米材料的研究进展*

阮 秀,董 磊,于 晶,于良民,杨玉臻

()中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,青岛266100

摘要  介绍了近年来合成高分子模板法、生物高分子模板法、表面活性剂模板法、有机小分子添加剂模板法制备纳米材料的研究进展,重点介绍了模板剂诱导不同形貌和结构的纳米材料形成的作用机理。因合成高分子模板制备简单,结构设计灵活,生物高分子模板绿色环保,能更精确调控纳米材料结构,故详细综述了这2种方法。

关键词  纳米材料 软模板 合成

TheProressofNanomaterialsPrearedinthePresenceofSoftTemlate          gpp

,,,,RUANXiuDONGLeiYUJinYULianminYANGYuzhen     gg

(,M,KeLaboratorofMarineChemistrTheorandTechnoloinistrofEducationOcean    yyyygyy     

,Q)UniversitofChinaindao266100  yg 

,roressolmerAbstractheofresearchonsnthesisofnanomaterialswithtemlatinmethodbiomacro  T          -pgpyypg 

,moleculetemlatinmethodsurfactanttemlatinmethodandsmallmoleculeoranicadditivestemlatinmethodare         pgpggpg   ,withemhasisontheschemeaboutsnthesisofnanomaterialswithdifferentmorholoiesandstructuressummarized             pypg,olmeroltemlateinduce.Becauseofsimlesntheticmethodandflexiblestructuredesinoftemlatinnonthat             -p-pyppygpg,lutinandreciselreulatinthenanostructuresofbiomacromoleculetemlatinsothearerevieweddetailedl.        gpyggpgyy    

,,Kewordsanomaterialssofttemlatesnthesis  n pyy 

化学性质而在光电转化、工  纳米材料因其独特的物理、

业催化、生物医学等领域具有广阔的应用前景,因此,纳米材料的制备方法成为目前研究的热点。纳米材料的制备方法

1,2]

,一般分为物理法和化学法[物理法又分为蒸发冷凝法、物

调控无机材料成核与结晶形成特殊形貌、尺寸、结构特征的深层原因。由此,人们对于软模板法合成无机材料中模板剂

4]

。的选择范围扩展到聚合物、小分子添加剂等更广的领域[

本文主要从以下4方面介绍近年来软模板法在合成纳米材料中的应用:①合成高分子模板法;②生物高分子模板法;③表面活性剂模板法;④小分子有机添加剂模板法。

理粉碎法、机械合金化法等;化学法分为化学沉淀法、水热合模板法等。在化学法中,由于模板法能够更好地控制成法、

3]

。纳米材料的粒径、形貌,近年来受到大量研究者的关注[

根据模板的特点,模板法可以分为硬模板法和软模板法,而各类软模板法是合成一维纳米棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等纳米材料的一项有效技术。软模板法是指模板剂通过非共价键作用力,结合电化学、沉淀法等技术,使形成不同的结反应物在具有纳米尺度的微孔或层隙间反应,

并利用其空间限制作用和模板剂的调节作用对合成构材料,

材料的尺寸、形貌等进行有效控制。

人们注意到生物矿化过程中生物高20世纪80年代末,

分子通过分子自组装、分子识别等过程对生物矿物的生成起这与模板法合成纳米材料中的模板剂具有同样到模板作用,

的作用,因此开始将生物矿化、分子自组装的相关理论应用并有目的地进行仿生合成。在最初的仿生到模板合成法中,

合成中,人们一般采用天然提取的或人工合成的生物大分后来发现有机-无机界面上存在的分子识别关系是有机物子,

1 合成高分子模板

合成高分子模板制备简单,在结构设计上灵活,在纳米嵌段高分子、接枝材料合成中主要包括均聚与共聚高分子、高分子、树枝状高分子等种类。

1.1 均聚与共聚高分子

均聚与共聚高分子结构简单、容易合成,用作模板时具有特殊的优势,即易于研究作用机制。均聚与共聚高分子的模板作用主要体现为高分子链的亲水基团(如羧基、氨基等)对晶体生长的诱导吸附作用及疏水性高分子主链对颗粒的包覆作用。

5]

颜焱[在合成纳米晶T将聚丙烯酸iO2粉体的过程中,

(通过羧基以氢键形式与TPAA)iO2表面羟基相互作用诱导

同时P了TiOAA高分子链的疏水性作用在2晶相的形成,TiOiO2表面形成的包覆限制了T2粒子的生长。杨菊香

);)国家自然科学基金(63计划(2008AA09A40250673085;20060423017;A1420080191 *8

::女,硕士研究生,主要从事环境友好型海洋防污涂料的研究 T1985年生,el053266782512 E-mailmumen2008@163. 阮秀:-g

“:通讯作者,男,长江学者”特聘教授,博士生导师,长期从事环境友好型海洋防污涂料的研究开发 E-mcom 于良民:ailuan@yyouc.edu.cn

软模板法合成纳米材料的研究进展/阮 秀等

6]等[以丙烯酰胺(和甲基丙烯酸(的共聚物微球AM)MAA)

·57·

最终促成BBaCaC2O4晶体择优取向生长,2O4聚集体的形

/为模板制备了P(该过程是AM-CO-MAA)Cu2O复合微球,

2+

先通过羧基及胺基的配合作用将C均匀分布于高分子微u2+球骨架上,然后再将C还原为纳米级C该复合微球既uu2O,

又有纳米材料大比表面积的优有微米级材料易分离的特点,

[]

诱导合点。Fu等7用聚苯乙烯-丙烯酸共聚物(PSA-PAA)

/成了P在甲苯溶剂中溶解得到空SACdS的核/壳复合材料,

[8]

为诱心CdS纳米粒子。JianPVP)g等以聚乙烯吡咯烷酮(

导剂,得到长为几十厘米、直径为40nm的直线形和V形银

纳米线。模板与晶体之间的吸附和解吸作用对晶面和空间见图格架的不同诱导作用得到了弯曲度不同的V形纳米线(

9]

)。也有文献[报道,利用带相反电荷的共聚物和表面活性1

剂混合体系诱导纳米粒子的合成,可能是在晶体表面高聚物

和表面活性剂的强烈缔合作用下引导了晶体形貌的形成

图1 聚乙烯吡咯烷酮作用下不同弯曲度的

银纳米线的TEM图

Fi.1 TEM microrahofsilvernanowireswithdifferent     ggp

bendinresenceanlesintheofPVP     gpg 

图2 不同浓度的PEGbPMAA作用下纳米--

颗粒BaCOEM图24的S

Fi.2 SEM microrahsofBaCOanoarticlesinthe    ggpp24n

ofPEGbPMAAatdifferentresence  --  p

concentrationsolmer py

1.2 嵌段高分子

嵌段共聚物是由于以共价键相结合的不同嵌段间的物理和化学性质不同,使得其在选择性溶剂中自发产生微相分因此可以利用嵌段共聚物内部的有序微相结构作模板来离,

调整纳米材料的表面性能和晶体的成核生长机理。在嵌段共聚物中,促溶链段主要起分散稳定纳米颗粒的作用;粘合从而达到控制无链段则选择性吸附于无机物的特定晶面上,

机粒子形貌的作用。与均聚与共聚高分子相比,嵌段共聚物表面改性的纳米材料。更有利于得到形貌特殊、

[0]

以三嵌段共聚物PBastakoti等1SbPAA-bPEG在水---

中形成的核-壳-花冠形的胶束体系为模板,得到了孔径为

1.3 接枝高分子

接枝共聚物在诱导晶体的生长过程中起着很重要的作用,它比嵌段共聚物更容易制备,在结构设计上更加灵活,以其为模板更容易制备出核壳结构的复合材料或空心纳米材料。

[4]

将亲水性的PKoh1OEM聚合物接枝到疏水性的

共聚物上,利用两亲分子P(P(VDFcoCTFE)VDFcoCT-----

FE)POEM的自组装合成了粒径为10~25nm的介孔--g

[5]

利用两亲性梳状接枝共聚物PTiOSeo1VCPSSA为--g2。/模板,得到粒径为20~30nm的PVCPSSAAAu粒子,--gg

电镜显示该粒子是以AAu为壳的核/壳复合纳米粒g为核、)。子(见图3、图4

[6]

以SGao1iOPEG为接枝的纳米颗粒PEGSiO-2为核、2

为模板,将管状的马来酸酐-EG接枝上α-环式糊精引入到P

胶束体系中带负电中心的P20nm的空心CaCOAA嵌段与3,

2+

通过静电架桥作用控制晶体的生长,而具有表面活性的Ca

[1]

在嵌段共PEG嵌段则阻止了纳米粒子的团聚。Chatteree1j

用N聚物PDMA-bPMMA-bPDMA的水溶液中,aBH4还--

3++

/原A得到了AuAu-Ag无机前驱体,g复合纳米材料。[2]

利用两亲性嵌段共聚物PAlexandridis1EObPPObPEO----

超分子体系聚轮烷,再通过乙烯胺将聚轮形成管状的SiO2-烷相邻基团交联起来,除去核S得到了以αiOEG,-2和接枝P环式糊精为壳的中空球形纳米材料,机理如图5所示。

在水中的自组装效应制备出能够稳定存在的胶体状分散体金纳米粒子,自组装体在金属离子上的吸附作用控制了晶体

13]

的生长和形貌。张冬柏等[用双亲水嵌段共聚物PEGb--

1.4 树枝状高分子

树枝状化合物由于具有大量的端基官能团、分子内空腔等特点而被广泛用于纳米材料的合成中。由于聚酰胺-胺(树形分子高度支化的结构带来的内部空腔和表PAMAM)

面官能团,其成为封存和吸附金属离子的最佳场所。因此,树枝状化合物的模板作用主要是利用内部空腔的封存和吸

共聚物浓度对粒子的形貌PMAA诱导合成了BaC2O4粒子,

。链段PMAA中的羧酸根与晶面之间有很大影响(见图2)的分子识别作用以及PEG链段与粒子间的相互作用诱导了

·58·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

附、表面官能团的配位络合等作用力来诱导纳米颗粒的生长

2 生物高分子模板

由于生物高分子具有利于模拟生物矿化过程、自组装过因此,生物模板控制纳米材料的合成是程重复性高等优点,

以D蛋白质、多糖一个极具潜力的发展方向。近年来,NA、合成高度有序等为模板对无机纳米粒子进行生物矿化诱导,

结构的无机纳米材料的研究备受重视。生物高分子来源广泛,分子结构复杂,能够调控出结构更加复杂、形貌高度可控的纳米材料。

2.1 DNA模板

有很强的分子识别能DNA由大量的脱氧核糖肽构成,

并且可通过控制形状、长度和序列来调控力及自组装能力,

[20]

其自组装。WanNA分子为模g等利用长度相同的直链D

板,通过控制DNA的序列合成出花辨状和球形的金纳米粒,DNA和金纳米粒之间的静电排斥作用阻止了颗粒间的团

[21]

聚。DonNA结构,g等利用云母和烃基单层固定和控制D实现对量子C按照DdS纳米粒组装,NA链状结构合成出珠链状及线状纳米结构。

2.2 蛋白质模板

酪蛋白可视为由亲水性和疏水性氨基酸构成的天然两

22]亲嵌段型共聚物,在溶液中易于自组装形成胶束。刘燕[利

用酶蛋白胶束为模板,并以其自身为还原剂,制备出形貌和尺寸可控的纳米金。实验发现,由于酶蛋白胶束的保护作高浓度的酶蛋白有益于小尺寸纳米金生成。病毒可以看用,

[23]作是蛋白质的超结构,具有丰富的表面结构。M将anocchi

用次磷酸钠还烟草花叶病毒的表面改性后组装到金碎片上,

原N在病毒表面得到了粒径为4~1aPdCl6nm的球24溶液,

[24]形Pd纳米颗粒。Schnepp等以胶原蛋白的水解产物凝胶2+

利用网络状凝胶和F间的相互水溶液为生物高分子模板,e

作用,经过一系列高温煅烧得到了粒径为20nm的FeC颗3粒。

2.3 多糖类模板

海藻酸钠是一种生物相容性好的天然高分子材料,它含

[25]

有大量性质活泼的游离羧基和羟基。Wang等将海藻酸2+3+钠中的羧基负离子与金属阳离子Nil 和A 通过静电作用

力交联起来,然后在尿素的水解溶液中共沉淀形成三维层状Nil金属复合氢氧化物。在不同浓度的金属离子作用下,-A

氢氧化物自组装形成不同形貌及不同尺寸的纳米粒子,机理如图6所示。

环糊精是具有腔内疏水、腔外亲水的两亲性特点的天然

研究了PUmeda等1EG接枝的树枝状聚合物PAM-

利用PAM的模板作用,AMAM内部空腔与AuCl4间的吸

[]

[6]

以β为模板制备出粒径为高分子,Xiao2CD)-环式糊精(-β

,1.00m的球形羟磷灰石(HAP)CD腔外的羟基官能~3.-μβ2+

团和C之间的相互作用对HAaP晶体的成核和生长有重要作用。细菌纤维素是一种具有多孔性结构的天然纳米高

在N得到了尺寸分布很窄的金纳附作用,aBH4还原作用下,米颗粒,在晶体生长过程中,PEG链稳定了金胶体粒子。金

18]2+

磊[利用以苯环为中心的P之间的配位作AMAM和Cu

它被大量的原纤维分散成一个个直径为1分子材料,00~

[7]

利用该网络结构合成了300nm的中空网络管道,Hutchens2

一种约1单分散性的球形纳米缺钙磷灰石团簇,细菌纤m、μ2+

之间维素中羟基官能团含有的负离子偶极作用和游离Ca

用,用化学还原法制得了粒径均一、分散性好的铜纳米粒子。

19]

周旭[利用同样的原理,以三乙醇胺为核的PAMAM树枝

状大分子为模板,制备出粒径约2分散性良好的金纳米0nm、粒子。

的螯合作用诱导了晶体的生长。

软模板法合成纳米材料的研究进展/阮 秀等·59·

入有机添加剂,在中性和酸性体系下分别合成出二维六方有

[34]

序结构的SiOZhang报道了一种在水溶液沉2介孔材料。

)诱淀法下用非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(OP10-

纳米材料的方法,导合成羟磷灰石(HAP)OP10中EO链段-

2+

之间的相互作用诱导HA和CaP沿着晶轴的C轴生长形

)。见图7成了骨状纳米材料(

图6 三维Nil层状双氢氧化物的形成机理-AFi.6 Theschemeaboutsnthesisofthreedimensional     -gy

assembledNiAlLDHnanostructuresself- - 

图7 聚乙二醇辛基苯基醚羟作用下羟磷灰石的SEM图

resenceFi.7 SEM microrahofHAPinthe     pggp

oftritonX100  -

3 表面活性剂模板

人们利用表面活性剂分子的自组装效应、立体几何效应,通过表面活性剂分子极性头基与无机物种之间的非共价使无机物在模板上成核、生长、变形和堆砌,从键相互作用,

28]

。在纳米材料合成而实现对纳米材料尺寸和形貌的调控[

4 有机小分子添加剂

有机小分子添加剂如L半胱氨酸等,常被用作-赖氨酸、模板来制备不同形貌的纳米材料。有机小分子添加剂在控制晶体成核生长方面能够发挥重要作用,它含有的氨基、羧通过改变反应参数,基等极性官能团具有较强的配位能力,能得到不同形貌的纳米颗粒。

35]

潘军[利用L由-赖氨酸辅助水热沉淀法合成了三维、

中常用的表面活性剂有离子表面活性剂和非离子表面活性剂。

3.1 离子表面活性剂

离子表面活性剂的模板作用主要表现为表面活性剂中从的亲水基团和无机化合物之间通过静电作用力相互结合,而吸附到颗粒的表面,诱导晶体的生长,阻止粒子间的团聚。周广军

[29]

纳米片组装的空心八面体锡酸锌分级结构,实验考察了L-赖反应时间、温度等反应参数对晶体形貌的影响。氨酸的量、

36]

韩洪亮[以半胱氨酸自身为还原剂和模板合成出单分散性

在合成过程中,半胱氨酸结构中的巯基氧化的金纳米颗粒,

结合成胱氨酸,胱氨酸结构中的氨基结合在金纳米粒子表

[37]

起到了限制保护作用。W以Z面,ann-g等在水热条件下,2-

()利用乙醇胺(和[OAcEA)Zn(OH)2为前驱体,4]之间的

2+

//竞争吸附作用,改变ZnNaOH及EAH2O的物质的量

利用阳离子表面活性剂CTA和CrO

[30]

2-

4之间的离

子对作用引导了P同时引入有机bCrO4纳米棒的定向生长,聚合物PEG控制纳米棒的形成。Pal等

/正己在CTAB

醇/水的微乳液环境中,利用液相还原法,使定向排列在胶束周围的CTA+通过静电作用诱导合成了不同形貌的

、、、。GFeCox=0.250.60.680.85)anulgyx1-x纳米粒子(

31]

等[在水热条件下,利用离子表面活性剂SLS和CTAB与

)。比,得到了花瓣状、伞状和六边形的Z见图8nO纳米颗粒(

前驱体之间的静电作用,分别制备出不同孔径的SiO2介孔材料。另外,在表面活性剂和聚乙二醇的混合作用下,聚乙二醇含有的羟基官能团对产物的性能有很大影响。

3.2 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂的模板作用主要表现为表面活性剂中的亲水基团和无机化合物表面羟基基团通过氢键作用力相互结合,从而诱导晶体的成核和生长,得到不同形貌的纳

[32]米材料。H以高浓度ung利用溶剂蒸发诱导自组装原理,

图8 不同反应参数下ZnO的FESEM图-

Fi.8 FESEM microrahsofZnOindifferentconditions-     ggp

5 结语

模板法由于其自身的优异特性而被广泛应用。制备简易于人工合成或修饰的合成高分子模板和绿色、来源广单、

泛的生物高分子模板是纳米化学合成的重要出路和推动力。合成高分子模板制备比较简单,易于研究其作用机制,能够

的非离子表面活性剂P123在正丁醇中形成的胶束为模板,制备出规则的六角形介孔材料T系统研究了模板/前驱iO2,体物质的量比对纳米材料的孔径、孔容积等性能的影响。邸

33]岩[利用非离子半氟表面活性剂F同时引SN胶束为模板,

·60·材料导报A:综述篇 上)第2012年1月(6卷第1期 2

通过调整高分子的结构达到特殊模板作用;生物高分子复杂的分子结构及大量的官能团共同作用能够调控出结构更加分散性更好、粒径更均一的纳米材料。复杂、

在纳米化学的高速发展过程中,虽然已制备出不同维度但仍需发展简单、具有普适性的合成方法,以期的纳米材料,

分散度及微观结构的精确控制。此外,新实现对产物形貌、

软模板的选择、合成及其作用机理的研究对纳米材料制备具有更加重要的意义。

AubimetallicnanoarticlesbamhihilicPVCSSA-A    --Pgpyppg 

],():raftcoolmerfilm[J.MaterLett2008,62304492   gpy,M,X,eYaohuaaRuianionDe’antal.Hollow16Gao   jgg 

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(责任编辑 程 绩)

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(责任编辑 程 绩)


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