第5章-无机材料仿生合成技术ppt课件.ppt
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1、从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。第第5章章 无机材料仿生合成技术无机材料仿生合成技术o5.1 5.1 无机材料的仿生合成无机材料的仿生合成o5.2 5.2 仿生合成的实例仿生合成的实例从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。自自组装法装法o自自组装装是是在在无无人人为干干涉涉条条件件下下,组元元通通过共共价价键等等作作用用自自发地地缔结成成热力力学学上上稳定定、结构上确定、性能上特殊的聚集体的
2、构上确定、性能上特殊的聚集体的过程。程。o自自组装装过程程一一旦旦开开始始,将将自自动进行行到到某某个个预期期终点点,分分子子等等结构构单元元将将自自动排排列列成成有有序序的的图形形,即即使使是是形形成成复复杂的的功功能能体体系系也不需要外力的作用。也不需要外力的作用。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。5.1 无机材料的仿生合成无机材料的仿生合成 人类探索自然的历程经历了数千年人类探索自然的历程经历了数千年,然而至今仍然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞然不能对生命的运作施
3、加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6 6 亿年亿年前的单细胞组合开始前的单细胞组合开始,造就了海藻、水母、昆虫、造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽鸟兽,直至人类这样的多细胞生物体,生物化石等直至人类这样的多细胞生物体,生物化石等等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。为什么具有生物活性?具有不同的结构和形貌?为什么具有生物活性?具有不同的结构和形貌?从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。生物矿
4、化生物矿化o生物矿化:是指在生物体内形成矿物质的过程。生物矿化:是指在生物体内形成矿物质的过程。o生物矿化有两种形式。生物矿化有两种形式。一种一种是生物体代谢产物是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质,如某些直接与细胞内、外阳离子形成矿物质,如某些藻类的细胞间文石。藻类的细胞间文石。另一种另一种是代谢产物在细胞是代谢产物在细胞干预下,在胞外基质的指导下形成生物矿物,干预下,在胞外基质的指导下形成生物矿物,如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成。如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成。o生物矿化的类型:控制矿化和诱导矿化。生物矿化的类型:控制矿化和诱导矿化。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式
5、盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。生物矿化可分为四个阶段:生物矿化可分为四个阶段:o有机大分子预组织。有机大分子预组织。在矿物沉积前构造一个有组织在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境。的反应环境。o界面分子识别。界面分子识别。在已经形成的有大分子组装体控制在已经形成的有大分子组装体控制下下无机物从溶液中,在有机无机物从溶液中,在有机/无机界面上成核。无机界面上成核。分分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间征、静电势相互作用、极性、立体化学因
6、素、空间对称性和基质形貌等方面对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。o生长调制。生长调制。无机相通过晶体生长进行组装得到无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元,同时,形态、大小、取向和结构受到亚单元,同时,形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。有机分子组装体的控制。o细胞加工。细胞加工。在细胞参与下亚单元组装成高级的在细胞参与下亚单元组装成高级
7、的结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。材料差别的主要原因。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。这四个方面给无机复合材料的合成提这四个方面给无机复合材料的合成提出了重要的途径,即先形成出了重要的途径,即先形成有机物的自组有机物的自组装体装体,无极先驱物在自组装聚集体于溶液,无极先驱物在自组装聚集体于溶液相界面处产生化学反应,在自组装体的模相界面处产生化学反应,在自组装体的模板作用下,板作用下,形成复合体形成复合体,将,将有机模板有机
8、模板去除去除后即得到有组织的后即得到有组织的具有一定形状的无机材具有一定形状的无机材料料。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。仿生合成技术简介仿生合成技术简介o仿生:仿生:通常指模仿或利用生物体结构,生化通常指模仿或利用生
9、物体结构,生化功能和生化过程的技术。把这种技术用到材功能和生化过程的技术。把这种技术用到材料设计,或用天然生物合成的方法获得所需料设计,或用天然生物合成的方法获得所需要的材料,如制备具有蜘蛛牵引丝强度的纤要的材料,如制备具有蜘蛛牵引丝强度的纤维;制备具有海洋贝类韧性的陶瓷或贝类结维;制备具有海洋贝类韧性的陶瓷或贝类结构的复合材料等。构的复合材料等。o仿生合成:仿生合成:模仿生物矿化中无机物在有机物模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机材料合成,又叫做调制下形成过程的无机材料合成,又叫做有有机模板法机模板法从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构
10、,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。u可以分可以分为“硬模板硬模板”法和法和“软模板模板”法法一、一、“硬模板硬模板”法法o硬硬模模板板多多是是利利用用材材料料的的内内表表面面或或外外表表面面为模模板板,填填充充到到模模板板的的单体体进行行化化学学或或电化化学学反反应,通通过控控制制反反应时间,除除去去模模板板后后可可以以得得到到纳米米颗粒粒、纳米米棒棒,纳米米线或或纳米管,空心球和多孔材料等。米管,空心球和多孔材料等。o经常常使使用用的的硬硬模模板板包包括括分分子子筛,多多孔孔氧氧化化铝膜膜(AAO),径径迹迹蚀刻刻聚聚合合物物膜膜,聚聚合合物物纤维,纳米米碳管和聚苯乙
11、碳管和聚苯乙烯微球等等。微球等等。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。o与与软模模板板相相比比,硬硬模模板板在在制制备纳米米结构构方方面面有有着着更更强的的限限域域作作用用,能能够严格格控控制制纳米米材材料料的的大小和尺寸。大小和尺寸。o但但是是,“硬硬模模板板”法法合合成成低低维材材料料的的后后处理理一一般般都都比比较麻麻烦,往往往往需需要要用用一一些些强酸酸、强碱碱或或有有机机溶溶剂除除去去模模板板,这不不仅增增加加了了工工艺流流程程,而且容易破坏模板内的而且容易破坏模板内的纳米米结构。构
12、。o另另外外,反反应物物与与模模板板的的相相容容性性也也影影响响着着纳米米结构的形貌。构的形貌。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。o(1)径迹径迹蚀刻聚合物膜和多孔氧化刻聚合物膜和多孔氧化铝膜膜o径径迹迹蚀刻刻聚聚合合物物膜膜主主要要是是通通过核核裂裂变碎碎片片轰击聚聚合合物物膜膜使使其其表表面面出出现许多多损伤的的痕痕迹迹,再再用用化化学学腐腐蚀的方法使的方法使这些痕迹些痕迹变成孔洞得到的。成孔洞得到的。o这种种模模板板的的特特点点是是孔孔洞洞呈呈圆柱柱型型,很很多多孔孔洞洞与与膜膜面面斜
13、斜交交,与与膜膜面面的的法法线的的夹角角可可达达34度度,因因此此在在厚厚膜膜内内有有孔孔通通道道交交叉叉现象象,总体体来来说,孔孔分分布布是是无序的,孔的密度大致无序的,孔的密度大致为109个个/cm2。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。o多多孔孔氧氧化化铝是是利利用用高高温温退退火火的的高高纯铝箔箔在在一一定定温温度度下下,用用一一定定浓度度的的草草酸酸、硫硫酸酸或或磷磷酸酸溶溶液液中中控控制制在在一一定定的的直直流流电压下下阳阳极极氧氧化化一一定定的的时间后得到的。后得到的。o该模模板
14、板的的结构构特特点点是是孔孔洞洞为六六边形形或或圆形形且且垂垂直直于于膜膜面面,呈呈有有序序平平行行排排列列。孔孔径径在在5至至200nm 范范围内内调节,孔密度可高达,孔密度可高达1011 个个/cm2。oShi等等人人在在多多孔孔氧氧化化铝膜膜中中利利用用噻吩吩的的电化化学学氧氧化化聚聚合合制制备了了聚聚噻吩吩微微米米纳米米管管阵列列,并并用用拉拉曼曼光光谱证明明了了管管的的外外表表面面上上存存在在分分子子链的的取向。取向。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。AAAO模板的形貌模板的形貌结
15、构构A)电解液解液为1.2M的硫酸的硫酸,温度温度0,电极极电压10V,时间1h.B)电解液解液为0.2M的硫酸的硫酸,温度温度25,电极极电压30V,时间1h.C)电解液解液为1.2M的硫酸的硫酸,温度温度0,电极极电压40V,时间1h.18 4nm47 7nm66 6nmBC从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。AAO模板法制模板法制备纳米材料与米材料与纳米米结构的工构的工艺流程流程图 利用利用AAO模板合成模板合成纳米材料米材料从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾
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