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纳米胶囊
2010-04-16 | 供稿:张志东 】【打印】【关闭

纳米胶囊(Nanocapsules)就是在纳米尺度(1纳米=10-9米)的胶囊。当物质小到1至100纳米(10-9-10-7米)时,由于其量子效应、物质的局域性和巨大的表面及界面效应,使物质的很多性能发生质变,呈现出许多既不同于宏观物体,也不同于单个孤立原子的奇异现象。

纳米胶囊是纳米材料的一个重要分支,是零维纳米材料的重要组成部分。纳米胶囊可以看作是微米胶囊概念的延伸,而微米胶囊无论从合成技术还是从实际应用来说都早已是一个非常成熟和庞大的产业。由于传统药物胶囊是将药物封装在处于具有保护性外壳内形成具有一定功效的内核。因此,借用“胶囊”这一概念具有壳/核结构的特点,将各种尺度上介于1-100nm之间的,具有壳/核结构特点的金属、非金属以及有机物的包裹体统称为“纳米胶囊”。通常我们感冒吃药要吃感冒胶囊,我们可以想象将感冒胶囊缩小到纳米尺度(1纳米到100纳米之间)。我们也可以想象将鸡蛋缩小到纳米尺度。

纳米胶囊种类繁多。外壳物质有石墨、CNx、氮化硼、二硫化物 (MX2, M = W, Mo, Nb, Ta; X = S, Se, Te)等层状物质、高分子聚合物和磷酸盐、SiO2、半导体、氧化物等。内核物质有各类金属、非金属元素和化合物等。纳米胶囊作为介于宏观物体和原子之间的介观体系,它与宏观物体和原子既有共同的地方,又有其很多独特的性质和用途。它集合了由壳核结构所带来的特性和纳米体系由尺寸变化引起的效应。纳米胶囊的外壳具有许多功能,如:保护内核免受环境的破坏;增加纳米团簇的稳定性以避免其长大;促进纳米颗粒在不同介质中的分散性;增加物质的活性;改变内核的光学、电学、磁学性质等。

最近,我们对纳米胶囊领域的进展及金属所磁性材料与磁学研究部近期的相关工作进行了综述[1,2]。介绍了包括能级、量子效应、幻数效应、表面/界面、纳米胶囊中的亚稳相等理论基础。介绍了最常应用的纳米胶囊制备技术,如物理、化学、物理化学和机械等技术。综述了纳米胶囊的光、电、磁、动力学性质等物理性质以及人工细胞、红血细胞替代、药物输运和控制释放等生物医药性质。我们用各种不同的方法制备不同类型的纳米胶囊,系统地研究了它们的相结构、壳核结构和磁性等[1,2]。用电弧等离子法、化学气相沉积法、高温反应法等制备过渡金属Fe、Co及其合金、稀土金属的纳米颗粒和纳米碳胶囊、纳米氮化硼胶囊、Fe的纳米Al2O3胶囊、WS2包裹W的纳米胶囊、MoS2包裹Mo/MoO2和WS2包裹CoS/CoO的纳米胶囊、NbC(C)纳米胶囊、GdAl2/Al2O3纳米胶囊等。我们分析相的相转变机理和各类相之间的关系,找出影响其结构热稳定性的关键因素。根据获得的微观结构和成分的实验观察结果构建纳米胶囊壳-核结构的模型。测量纳米胶囊的各项磁性能。重点研究各类壳-核结构对纳米胶囊的抗氧化性和磁性的影响。近期比较有新意的工作有: 通过电弧等离子分解乙硼烷制备非晶硼纳米颗粒,再在氮气中高温合成纳米氮化硼胶囊;在甲烷或酒精气氛中用电弧等离子法合成过渡金属纳米碳胶囊;用化学气相沉积法制备过渡金属Fe、Co及其合金的纳米碳胶囊;用电弧等离子法制备Fe的纳米Al2O3胶囊;研究了含有零维超导NbC(C)纳米胶囊和碳纳米纤维的纳米复合物的电输运性质;合成了在低温下有巨大磁熵变的稀土金属间化合物GdAl2/Al2O3纳米胶囊。

研究纳米胶囊将会促进人们进一步深入理解物质在介观尺度的结构特点和基本磁性,有利于对介观世界的物理现象和自然规律的认识,对提高稀土磁记录、磁流体材料等磁性材料的性能有一定的指导价值。展望未来,预期将有更多的新型纳米胶囊被更多的新技术合成出来,它们将具有更多的新性质,并将会在更多的领域和工业得到广泛的应用。

[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.

胶囊

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