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中國科學(xué)院金屬研究所
納米膠囊
材料新視野
2014年04月14日
納米膠囊(Nanocapsules)就是在納米尺度（1納米=10-9米）的膠囊。當(dāng)物質(zhì)小到1至100納米(10-9-10-7米)時，由于其量子效應(yīng)、物質(zhì)的局域性和巨大的表面及界面效應(yīng)，使物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子的奇異現(xiàn)象。
納米膠囊是納米材料的一個重要分支，是零維納米材料的重要組成部分。納米膠囊可以看作是微米膠囊概念的延伸，而微米膠囊無論從合成技術(shù)還是從實(shí)際應(yīng)用來說都早已是一個非常成熟和龐大的產(chǎn)業(yè)。由于傳統(tǒng)藥物膠囊是將藥物封裝在處于具有保護(hù)性外殼內(nèi)形成具有一定功效的內(nèi)核。因此，借用“膠囊”這一概念具有殼/核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將各種尺度上介于1－100nm之間的，具有殼/核結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的金屬、非金屬以及有機(jī)物的包裹體統(tǒng)稱為“納米膠囊”。通常我們感冒吃藥要吃感冒膠囊，我們可以想象將感冒膠囊縮小到納米尺度(1納米到100納米之間)。我們也可以想象將雞蛋縮小到納米尺度。
納米膠囊種類繁多。外殼物質(zhì)有石墨、CNx、氮化硼、二硫化物 (MX2, M = W, Mo, Nb, Ta; X = S, Se, Te)等層狀物質(zhì)、高分子聚合物和磷酸鹽、SiO2、半導(dǎo)體、氧化物等。內(nèi)核物質(zhì)有各類金屬、非金屬元素和化合物等。納米膠囊作為介于宏觀物體和原子之間的介觀體系，它與宏觀物體和原子既有共同的地方，又有其很多獨(dú)特的性質(zhì)和用途。它集合了由殼核結(jié)構(gòu)所帶來的特性和納米體系由尺寸變化引起的效應(yīng)。納米膠囊的外殼具有許多功能，如：保護(hù)內(nèi)核免受環(huán)境的破壞；增加納米團(tuán)簇的穩(wěn)定性以避免其長大；促進(jìn)納米顆粒在不同介質(zhì)中的分散性；增加物質(zhì)的活性；改變內(nèi)核的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)等。
最近，我們對納米膠囊領(lǐng)域的進(jìn)展及金屬所磁性材料與磁學(xué)研究部近期的相關(guān)工作進(jìn)行了綜述[1，2]。介紹了包括能級、量子效應(yīng)、幻數(shù)效應(yīng)、表面/界面、納米膠囊中的亞穩(wěn)相等理論基礎(chǔ)。介紹了最常應(yīng)用的納米膠囊制備技術(shù)，如物理、化學(xué)、物理化學(xué)和機(jī)械等技術(shù)。綜述了納米膠囊的光、電、磁、動力學(xué)性質(zhì)等物理性質(zhì)以及人工細(xì)胞、紅血細(xì)胞替代、藥物輸運(yùn)和控制釋放等生物醫(yī)藥性質(zhì)。我們用各種不同的方法制備不同類型的納米膠囊，系統(tǒng)地研究了它們的相結(jié)構(gòu)、殼核結(jié)構(gòu)和磁性等[1，2]。用電弧等離子法、化學(xué)氣相沉積法、高溫反應(yīng)法等制備過渡金屬Fe、Co及其合金、稀土金屬的納米顆粒和納米碳膠囊、納米氮化硼膠囊、Fe的納米Al2O3膠囊、WS2包裹W的納米膠囊、MoS2包裹Mo/MoO2和WS2包裹CoS/CoO的納米膠囊、NbC(C)納米膠囊、GdAl2/Al2O3納米膠囊等。我們分析相的相轉(zhuǎn)變機(jī)理和各類相之間的關(guān)系，找出影響其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。根據(jù)獲得的微觀結(jié)構(gòu)和成分的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果構(gòu)建納米膠囊殼-核結(jié)構(gòu)的模型。測量納米膠囊的各項(xiàng)磁性能。重點(diǎn)研究各類殼-核結(jié)構(gòu)對納米膠囊的抗氧化性和磁性的影響。近期比較有新意的工作有: 通過電弧等離子分解乙硼烷制備非晶硼納米顆粒，再在氮?dú)庵懈邷睾铣杉{米氮化硼膠囊；在甲烷或酒精氣氛中用電弧等離子法合成過渡金屬納米碳膠囊；用化學(xué)氣相沉積法制備過渡金屬Fe、Co及其合金的納米碳膠囊；用電弧等離子法制備Fe的納米Al2O3膠囊；研究了含有零維超導(dǎo)NbC(C)納米膠囊和碳納米纖維的納米復(fù)合物的電輸運(yùn)性質(zhì)；合成了在低溫下有巨大磁熵變的稀土金屬間化合物GdAl2/Al2O3納米膠囊。
研究納米膠囊將會促進(jìn)人們進(jìn)一步深入理解物質(zhì)在介觀尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本磁性，有利于對介觀世界的物理現(xiàn)象和自然規(guī)律的認(rèn)識，對提高稀土磁記錄、磁流體材料等磁性材料的性能有一定的指導(dǎo)價(jià)值。展望未來，預(yù)期將有更多的新型納米膠囊被更多的新技術(shù)合成出來，它們將具有更多的新性質(zhì)，并將會在更多的領(lǐng)域和工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
[1] “Nanocapsules”, Z.D. Zhang, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnologyedited by H.S. Nalwa, Volume 6, (American Scientific Publishers, Stevenson Ranch, California, January 2004) pp.77-160.
[2] “Magnetic Nanocapsules”, Z. D. Zhang, J. Mater. Sci. Tech., 23 (2007) 1.
本文引用地址：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=19088
作者：張志東
納米膠囊是納米材料的一個重要分支，是零維納米材料的重要組成部分。納米膠囊可以看作是微米膠囊概念的延伸，而微米膠囊無論從合成技術(shù)還是從實(shí)際應(yīng)用來說都早已是一個非常成熟和龐大的產(chǎn)業(yè)。由于傳統(tǒng)藥物膠囊是將藥物封裝在處于具有保護(hù)性外殼內(nèi)形成具有一定功效的內(nèi)核。因此，借用“膠囊”這一概念具有殼/核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將各種尺度上介于1－100nm之間的，具有殼/核結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的金屬、非金屬以及有機(jī)物的包裹體統(tǒng)稱為“納米膠囊”。通常我們感冒吃藥要吃感冒膠囊，我們可以想象將感冒膠囊縮小到納米尺度(1納米到100納米之間)。我們也可以想象將雞蛋縮小到納米尺度。
納米膠囊種類繁多。外殼物質(zhì)有石墨、CNx、氮化硼、二硫化物 (MX2, M = W, Mo, Nb, Ta; X = S, Se, Te)等層狀物質(zhì)、高分子聚合物和磷酸鹽、SiO2、半導(dǎo)體、氧化物等。內(nèi)核物質(zhì)有各類金屬、非金屬元素和化合物等。納米膠囊作為介于宏觀物體和原子之間的介觀體系，它與宏觀物體和原子既有共同的地方，又有其很多獨(dú)特的性質(zhì)和用途。它集合了由殼核結(jié)構(gòu)所帶來的特性和納米體系由尺寸變化引起的效應(yīng)。納米膠囊的外殼具有許多功能，如：保護(hù)內(nèi)核免受環(huán)境的破壞；增加納米團(tuán)簇的穩(wěn)定性以避免其長大；促進(jìn)納米顆粒在不同介質(zhì)中的分散性；增加物質(zhì)的活性；改變內(nèi)核的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)等。
最近，我們對納米膠囊領(lǐng)域的進(jìn)展及金屬所磁性材料與磁學(xué)研究部近期的相關(guān)工作進(jìn)行了綜述[1，2]。介紹了包括能級、量子效應(yīng)、幻數(shù)效應(yīng)、表面/界面、納米膠囊中的亞穩(wěn)相等理論基礎(chǔ)。介紹了最常應(yīng)用的納米膠囊制備技術(shù)，如物理、化學(xué)、物理化學(xué)和機(jī)械等技術(shù)。綜述了納米膠囊的光、電、磁、動力學(xué)性質(zhì)等物理性質(zhì)以及人工細(xì)胞、紅血細(xì)胞替代、藥物輸運(yùn)和控制釋放等生物醫(yī)藥性質(zhì)。我們用各種不同的方法制備不同類型的納米膠囊，系統(tǒng)地研究了它們的相結(jié)構(gòu)、殼核結(jié)構(gòu)和磁性等[1，2]。用電弧等離子法、化學(xué)氣相沉積法、高溫反應(yīng)法等制備過渡金屬Fe、Co及其合金、稀土金屬的納米顆粒和納米碳膠囊、納米氮化硼膠囊、Fe的納米Al2O3膠囊、WS2包裹W的納米膠囊、MoS2包裹Mo/MoO2和WS2包裹CoS/CoO的納米膠囊、NbC(C)納米膠囊、GdAl2/Al2O3納米膠囊等。我們分析相的相轉(zhuǎn)變機(jī)理和各類相之間的關(guān)系，找出影響其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。根據(jù)獲得的微觀結(jié)構(gòu)和成分的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果構(gòu)建納米膠囊殼-核結(jié)構(gòu)的模型。測量納米膠囊的各項(xiàng)磁性能。重點(diǎn)研究各類殼-核結(jié)構(gòu)對納米膠囊的抗氧化性和磁性的影響。近期比較有新意的工作有: 通過電弧等離子分解乙硼烷制備非晶硼納米顆粒，再在氮?dú)庵懈邷睾铣杉{米氮化硼膠囊；在甲烷或酒精氣氛中用電弧等離子法合成過渡金屬納米碳膠囊；用化學(xué)氣相沉積法制備過渡金屬Fe、Co及其合金的納米碳膠囊；用電弧等離子法制備Fe的納米Al2O3膠囊；研究了含有零維超導(dǎo)NbC(C)納米膠囊和碳納米纖維的納米復(fù)合物的電輸運(yùn)性質(zhì)；合成了在低溫下有巨大磁熵變的稀土金屬間化合物GdAl2/Al2O3納米膠囊。
研究納米膠囊將會促進(jìn)人們進(jìn)一步深入理解物質(zhì)在介觀尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本磁性，有利于對介觀世界的物理現(xiàn)象和自然規(guī)律的認(rèn)識，對提高稀土磁記錄、磁流體材料等磁性材料的性能有一定的指導(dǎo)價(jià)值。展望未來，預(yù)期將有更多的新型納米膠囊被更多的新技術(shù)合成出來，它們將具有更多的新性質(zhì)，并將會在更多的領(lǐng)域和工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
[1] “Nanocapsules”, Z.D. Zhang, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnologyedited by H.S. Nalwa, Volume 6, (American Scientific Publishers, Stevenson Ranch, California, January 2004) pp.77-160.
[2] “Magnetic Nanocapsules”, Z. D. Zhang, J. Mater. Sci. Tech., 23 (2007) 1.
本文引用地址：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=19088
作者：張志東