预知纳米化学

欢迎阅读MaterialsViews.com特邀专栏科学家为大家带来有关材料科学的独家观点。在当今纳米科学研究领域,多伦多大学的Geoffrey Ozin教授将会定期在MaterialsViews.com上探讨萦绕在研究人员头脑中的科学问题。阅读更多Ozin教授撰写的文章欢迎访问:http://www.materialsviews.com/category/opinion/.

今年是1992年Advanced Materials(先进材料)刊登文章Nanochemistry – Synthesis in Diminishing Dimensions(纳米化学——在小尺度上的合成)的第20年纪念日。当年,我为这个仍处于初级阶段的领域描绘了一幅美好的发展图景,而当我回顾这个图景如何一步步成为现实的时候,我感到异常欣慰。与之相关的是,我在撰文时公开表示:构建纳米材料有两种思路——“自上而下”纳米物理学和“自下而上”的纳米化学,并且比较了这两种途径的不同:

“相对于纳米物理学来说,纳米化学逐渐成为凝聚态化学的分支学科,它强调‘合成’而不是通过工程的方法制备在一维、二维或是三维结构上具有纳米尺度的微小材料。现如今,纳米尺度的物质引起了人们广泛的关注,这主要是基于该物质新颖的材料特性,而这种特性主要是其小尺寸限域效应导致的。纳米化学家一般通过考虑将原子通过‘自下而上’的方式实施纳米材料的构建;而纳米物理学家则倾向于运用块体材料‘自上而下’地进行操作。大体上说,在温和而可控条件下,通过‘一次一个原子’而非‘操控块材’的方式构造和组建纳米物质,应该可以实现原子量级上材料形貌和尺度的调控,且重复性极好。比较这两种不同方式的卡通图,已在示例中标明。纳米尺度的物质可以通过有机、无机或者是金属有机物质构成。如果对这些物质的结构进行设计,就可以得到在电子、光学、磁学、传导学、光化学、电化学、催化学和力学等诸多方面具有独特性质的材料。可以预见的是,在不久的将来,量子电子学、非线性光学、光电子学、化学选择性传感、信息存储于处理等很多领域的发展都将得益于纳米物质的合成与构建。”

问题

纳米化学的出现真的可以作为一门新兴的学科领域吗?它将受到足够的重视还是仅仅作为材料化学的分支?应用不同的尺寸和形状特性合成纳米级物质的行为在增加吗?纳米材料基础的科学知识能够使纳米化学应用在信息技术、生物技术和纳米技术领域吗?

纳米化学是一门新兴领域吗?

以下一些指标和信息可以帮我们认识到纳米化学是否达到了这种状态。在Google(谷歌)搜索中,关于纳米化学的关键词可搜索到超过300,000条的信息,其中包括自然科学,工程学,生物学和医学等学科。纳米材料“漂亮的”显微照片已通过纳米化学遍布网络,纳米化学已经进入维基百科的页面,它被认为是纳米科学新的分支学科(纳米材料尺寸范围在1-1000nm)。在世界各地的大学、工业界及政府科研实验室里,著名的科学家均在研究纳米化学技术。纳米化学的研究中心、机构和网站已在世界各地建立,一些著名的国际奖项授予了纳米化学的研究者,这包括Nobel, Millenium, Bower, Albert Einstein, Kavli, Wolf, Kyoto, King Faisal, Lemelson 和Feynman等。发表纳米化学相关论文的期刊已经出现,并呈增长趋势。有关纳米化学本科和研究生的教材也开始出现;纳米化学的课程出现在世界各地的大学中;每年都有数亿美元投资在纳米化学领域,这推动了相关基础研究与应用研究;纳米化学在纳米科学和纳米技术领域的突破屡次被报道在科学期刊杂志上;人们开始意识到纳米化学为生活带来的好处;世界各地的国际纳米技术研究战略已经开始,此外纳米材料对人体健康与环境的影响也已步入日程。

基于以上信息,我认为纳米化学属于一门新兴领域,并且我们期望依靠纳米化学给我们带来更加美好的生活。

人们对化学法制作大小形貌可控的纳米材料是否还感兴趣?

对于纳米化学界而言,最大的挑战在于如何控制纳米材料的大小、形状,或者单晶的纳米粒子。其中,人们对采用物理和化学法获得不同大小、形貌的的纳米材料,尤其是获得结晶度、结构可控的材料尤为感兴趣。迄今为止,人们已经实现了元素周期表中大部分元素纳米材料的可控合成,甚至可以通过制备空心的、方形的、卷曲的、线形的纳米材料来控制材料的化学性能。同时在控制纳米材料的缺陷和掺杂方面也取得了巨大突破,制备出了自组装团簇、超晶格纳米链、方块纳米棒异质结等多种分级材料,建立了一个名符其实的纳米材料元素周期表。

现在,人们依旧在不断探索化学法制造纳米材料的方法,未来的纳米科技将更加丰富多彩。

纳米化学能够实现材料尺寸与形貌的可控调节么?

从实现纳米材料周期表的这个想法来说,还有很多材料没有通过化学和物理的方法实现纳米化。例如金属-非金属过渡,表面等离子体共振,光激发光,塞贝克效应,熔点,相变,水分裂和氢的储存等。现在,人们的主要努力方向是,进一步理解材料在合成过程中的物理化学变化,实现材料的纳米化和可控生长,并将这些材料应用于实际生活中。

为了理解“从材料到纳米材料”这种思维方式转变所产生的革命性影响,我们首先要追溯到上世纪人们是如何通过化学元素周期表来有目的的创造材料,并且还要理解上述的运作方式是如何作用于纳米材料领域之中的“材料周期表”。

这种转变是如何实现的呢?其中涉及到一个指引上世纪材料科学发展的普适性工作原理。这一原理可以表述为:从合成到结构、从结构到特性、从特性到功能、从功能到应用。大小、形状、表面、缺陷、自组装和界面组成了纳米化学的六个基本概念,而由这六个概念所构成的阶梯使上述的材料工作原理得以丰富并扩展到信息技术、生物技术以及纳米技术,覆盖了所有尺度,从纳米到宏观。

因此,基于上述观点,如果没有化学合成,就不会有新材料的产生。如果没有结构的确定,人们就不会了解材料中原子的组成和排列。如果没有特性的测量,人们便无从得知这些原子的结构性排列行为。如果人们对材料特性一无所知,这些材料的功能和性能就无从界定。同样地,如果不清楚它们在不同任务中的作用,这些材料的最终效果便更加无法实现了。以上这些就是固体化学的五个基本工作原理,而材料化学和纳米化学都是建筑于这些基本原理之上的。

当这些概念集中于一起,便产生了纳米材料的许多经典应用实例,例如,从石墨到石墨烯电子学;从氧化锌到氧化锌纳米线压电电子学;从氮化镓到氮化镓纳米线紫外蓝光激光芯片实验室和高密度数据存储相干光源;从硅到硅纳米线电池;从二氧化钛到纳米晶状二氧化钛太阳能电池;从硒化铅到纳米晶体硒化铅近红外光检测器;从银到纳米银抗菌药物;从硅到用于药物输运和释放的纳米周期多孔硅载体;氧化铁到氧化铁抗癌疗法;从黄金到金纳米棒肿瘤成像。

这一范例酝酿出“纳米材料运动”,这亦是二十一世纪纳米技术革命的驱动器。在纳米化学中,我们所提及是通过化学手段来控制材料的物理尺度。这一物理尺度不是任意尺度,而是某一特定的尺度,既不是原子核微观尺度,也不是宏观物质,而是某一种比较模糊的状态,一种长度大小的中间态,我们将其称为“介观”。正是这一介观尺度为我们已知的材料提供了许多新特性,而这些特性都可以用量子力学给出清晰的表述。从本质上来讲,介观尺度为我们创造新材料提供了一种全新的思路,它超越了源自于“纳米材料周期表”的组成和结构,更超过了“元素周期表”。

很多种材料都可以通过纳米化学的手段被加工成纳米材料,并且可以满足各种不同的大小、形状、表面、缺陷和自组装等加工要求来满足各种不同用途。通过纳米化学的概念而去将元素周期表中的元素组成可能的材料的种类多的令人难以想象。并且你可以立刻从中看出,纳米化学是如何使得众多的科学研究采用近乎无穷的纳米材料形成无穷多的技术创新可能。而这些可能的唯一限制是人们的想象力,因此使得材料科学领域在未来的几百年内都具有足够的创意而蓬勃发展。

任何人都可以通过例如材料能量系统的平台感受到前文所提及的“纳米优势”。在这里各种材料可以被加工从而可以被用于太阳能电池、燃料电池、蓄电池、超级电容、热电电子学、压电电子学、或者在那些纳米材料比宏观材料具有更好的性能的领域。以纳米棒、纳米线、纳米管为例:他们都是一维纳米结构并且几乎可以通过几乎元素周期表中的各种元素单质或者化合物制备出来,例如碳、金、硅、氧化锌、氧化钛、氮化镓等。但是他们和同种材料的宏观结构具有不同的性质。微小的体积赋予了他们相对于体积来说巨大的表面积和表面活性。这些变化远远超出了我们平常对于棒、线和管子的直观感受。并且他们的光学、电学、磁学、光子学、表面等离基元光子学和机械特性也可以被改造的于前代材料有所不同。

这些是提供加速化学和光化学反应速率的能力的纳米材料属性。例如从油中产生汽油,从水中产生氢气,从二氧化碳中产生甲醇。这些是已经被更好一代的存储、输送电力的锂离子电池、燃料电池和超级电容证明了的增强物理过程效率的特质属性。这些是在太阳能电池中提高吸收和转化光能到电能,在压电和热电仪器中增强机械能和热能与电能转化效率的特质。这些是制备发光更亮,效率更高的LED灯的根本原因

这些就是能源纳米材料的纳米优势,通过纳米化学产生的改变催化剂。

纳米化学的创新催生了纳米科技吗?

上世纪的研发经验表明,从技术研究的重大突破到最终转化成产品或工艺并走向市场需要十到二十年的时间。自从纳米化学诞生以来,全世界在这个领域的研究活动呈指数增长态势。有记录表明,许多世界500强的公司已经加入到纳米化学研究的大军中,并将它视为纳米科技创新的源泉;同时,数以千计的中小型科技公司也如雨后春笋般冒出,力图研发、生产和商品化纳米科技产品,并已经将成千上万的新产品投向了消费市场。另一方面,政府部门也积极制定了相关的法律条款,秉承可持续发展的原则,在处理、储存和丢弃等方面来规范纳米材料的安全操作规程。毋庸置疑,纳米化学正在推动着整个社会的进步!

纳米的未来

作为结束语,请允许我摘录1992年我在有关纳米化学的论文中发表的片段:“一个由固体化学和物理主导的新时代正向我们走来,随之而来的是对纳米相材料与日俱增的需求,以及对材料尺寸、形状、维度、掺杂物的类型和浓度、缺陷和杂质等一系列参数的严格要求。在这样一个由形形色色的小物体、小工艺和小器件构成的‘小’世界里,纳米物理学家们在今后的几十年里使用的最多的将是平面沉积技术和横向加工技术。目前,这些操纵技术的空间分辨率极限大约在一百个埃。而此极限很可能被扫描探针显微镜技术所突破,因而有望将器件的小型化推向极致,构造出原子和分子器件。这项技术的关键挑战是能否在原子尺度快速并可重复地移动物体。此外,包括压印法和模板法在内的可控合成纳米材料的化学方法也将在未来奇妙的纳米世界中大放异彩。”

在过去的二十年里,制备纳米材料的两套方法——即自上而下法和自下而上法——均发展迅速,已远远超出我当初的意料:例如,众多新奇的软、硬平板印刷术正在将物理操纵的空间分辨率推向十个埃,这使得构建信息、生物和纳米技术所需的实用微型器件成为可能;此外,不计其数的或软或硬的纳米针尖正尝试着把分子和材料组装成小到无法想象的功能性结构;同时,化学家们还学会了如何通过化学手段将几乎所有已知的材料体系重构成纳米级的新结构,对其尺寸和形状的精确控制也已近乎完美;纳米材料广阔的应用前景正推动着全球数万亿美元的工业革命,其主题包括如何安全、经济并大规模地生产出不同形貌的纳米材料,以及如何发展“绿色纳米化学”以制造“绿色纳米材料”。

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