软模板法制备一维纳米材料的新途径

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：几种常用的软模板分类如下：1.生物分子模板1）DNA分子模板利用DNA或RNA分子作模板制备一维纳米材料的研究目前已经比较成熟。近年来，人们开始意识到利用DNA分子为模板可以构建具有特定形状和结构的纳米材料。这些进展为使用DNA分子精确控制纳米材料的合成提供了强有力的支持。以蛋白质分子为模板构筑一维纳米材料，在生物技术和医学领域显示出了广阔的应用前景。

软模板主要包括两亲分子形成的各种有序聚合物，一般来说，有生物分子和高分子的自组织结构、液晶、囊泡、微乳液、自组装膜等。软模板在制备一维纳米材料时的主要优点有：（i）由于软模板大多是两亲分子形成的有序聚集体，因此，它们在模拟生物矿化方面有绝对的优势；（ii）软模板的形态多样，得到的一维纳米材料形状变化很多；（iii）软模板一般都很容易构筑，不需要复杂的设备，但是由于软模板结构的稳定性较差，因此通常使用软模板制备一维纳米材料的效率不够高。几种常用的软模板分类如下：

1.生物分子模板

1）DNA分子模板

利用DNA或RNA分子作模板制备一维纳米材料的研究目前已经比较成熟。DNA分子是生物体系中遗传信息的携带者，对DNA分子中碱基对的裁剪可以实现人为设计和精确控制DNA分子的长短。近年来，人们开始意识到利用DNA分子为模板可以构建具有特定形状和结构的纳米材料。由于DNA分子直径较小，分子识别能力和自组装能力很强，因此是很好的生物分子模板，而各种大量的具有特定长度和特定序列的DNA可以在合成器中自动生成。这些进展为使用DNA分子精确控制纳米材料的合成提供了强有力的支持。

由于其独特的结构和理化性质，因此DNA已经被广泛应用于纳米技术和材料科学中。Wang等研究表明，通过化学电镀的方法结合使用DNA分子模板可获得结构可控的金属纳米线，更重要的是，利用DNA与金属纳米粒子和导电聚合物之间的静电作用可以进一步对导电纳米线的结构和成分进行控制，但对于一般“自上而下”的技术而言这是难以实现的。Hinai等制备出一种超灵敏的H2传感器。该传感器是以λ-DNA为模板得到的Pd纳米线。该传感器显示出在接触到含有不同浓度的H2的N2气流时，其电阻值的变化很大，即对H2的反应灵敏度很高。这些结果表明，以DNA为模板制造低成本的快速反应传感器是一种很有前途的方法。

2）蛋白质分子模板

蛋白质含有丰富的羟基、氨基、磷酸根等功能基团，具有很强的识别作用和良好的骨架结构。以蛋白质分子为模板构筑一维纳米材料，在生物技术和医学领域显示出了广阔的应用前景。近年来，以生物组织（如生物有机体的某一部分、微生物和生物大分子等）为模板合成各种纳米材料的方法受到了广泛关注，而蛋白质模板则被科学家们更加青睐。这是由于蛋白质具有先天的优势，其生物体内能与很多无机物质紧密结合在一起，形成诸如人体骨骼、节肢动物的外壳和硅藻属的骨架等，而且蛋白质来源广泛、价格低廉，因此成为研究生物模板时的重点。目前，国内外科研人员普遍用来制备模板的蛋白质主要有人铁蛋白、清蛋白以及蚕丝蛋白。利用蛋白质的空腔或胶连网状结构来产生模板效应可以合成金属与半导体等材料的纳米线。

2.微乳液模板

微乳液模板是通过利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，然后从乳液中析出固相，使成核、生长、聚结等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而形成纳米级的颗粒，同时，又可以有效地避免纳米颗粒之间的团聚。微乳液模板制备纳米材料的实验装置简单并且操作较容易，而且所得到的纳米粒子粒径分布窄，单分散性、界面性和稳定性高；与其他方法相比，具有粒径易于控制、适应面广等优点。

Jones等使用双连续微乳（BμE）法制备出了具有独特纳米孔隙结构的多孔陶瓷。其孔结构与BμE的孔状结构相匹配，孔隙结构是无序、连续的3D结构。通过类似技术得到的多孔陶瓷的孔径分布范围是60～100 nm。

3.液晶模板

表面活性剂分子在溶液中可以自发形成液晶自组装体。液晶以其“刚柔并济”的特点在一维纳米材料制备中表现出如下几方面优势：（i）液晶界面为刚性界面，层与层之间为纳米级的空间，在此空间内形成纳米粒子的粒径大小可控；（ii）液晶相随表面活性剂浓度可以调节成不同的形状；（iii）由于液晶相具有较大的黏度，可以使纳米粒子在制备出来后不易团聚、沉降，因此有利于制备单分散性的纳米粒子；（iv）液晶模板在制备纳米材料的过程中相当稳定，并且之后可以在一定温度下灼烧除去模板，从而得到纯净的纳米材料。Ding等开发了一种通过液晶模板合成的钯催化纳米粒子。新型钯纳米粒子复合材料是通过液晶模板中的离子通道的离子交换减少了钯（Ⅱ）、钯（0）与H2的结合，由此产生的复合Pd纳米粒子直径为4～7 nm，且表现出很高的催化活性。

一维纳米材料制备策略是在深层次理解纳米材料的生长机制及其表面化学的基础上发展而来的新型控制制备策略。在这种策略的指导下，科研人员可以在可控地制备出各种类型的一维功能纳米材料的同时，进一步验证和探索其控制制备策略，为一维纳米材料的控制制备提供了新的方法。

软模板法制备一维纳米材料的新途径

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