模板法製備納米材料

國內外採用的製備納米複合材料的方法主要有:溶膠凝膠法、原位聚合法、共混法和模板法等。模板合成法就是將具有納米結構、形狀容易控制、價廉易得的物質作為模板，通過物理或化學的方法將相關材料沉積到模板的孔中或表面而後移去模板，得到具有模板規範形貌與尺寸的納米材料的過程。模板法是合成納米複合材料的一種重要方法，也是納米材料研究中套用最廣泛的方法，特別是製備性能特異的納米材料，模板法可以根據合成材料的性能要求以及形貌來設計模板的材料和結構，來滿足實際的需要。

基本介紹

• 中文名：模板法製備納米材料
• 外文名：Polymeric Unimolecular Templates
• 分類：軟模板法、硬模板法
• 主要方法：生物分子法、二氧化矽法等
• 特點：在有效控制的區域內進行

特點

模板法作為一種製備納米材料的有效方法，其主要特點是模板法不管是在液相中或是氣相中發生的化學反應，其反應都是在有效控制的區域內進行的，這就是模板法與普通方法的主要區別。模板法合成納米材料與直接合成相比具有諸多優點，主要表現為:

①以模板為載體精確控制納米材料的尺寸和形狀、結構和性質;

②實現納米材料合成與組裝一體化，同時可以解決納米材料的分散穩定性問題;

③合成過程相對簡單，很多方法適合批量生產。

模板法通常用來製備特殊形貌的納米材料，如納米線、納米帶、納米絲、納米管與片狀納米材料等。可採用模板法製備的納米材料種類有很多，但最常用模板製備的納米材料主要是II -VI族、III- V族納米材料與部分氧化物納米材料。

模板法根據其模板自身的特點和限域能力的不同又可分為軟模板和硬模板兩種。二者的共性是都能提供一個有限大小的反應空問，區別在於前者提供的是處於動態平衡的空腔，物質可以透過腔壁擴散進出;而後者提供的是靜態的孔道，物質只能從開口處進入孔道內部。

分類

模板法根據其模板的組成及特性的不同又可分為軟模板和硬模板兩種。兩者的相同之處是都能提供一個有限大小的反應空間，區別在於前者提供的是處於動態平衡的空腔，物質可以透過腔壁擴散進出;而後者提供的是靜態的孔道，物質只能從開口處進入孔道內部。

軟模板

軟模板常常是由表面活性劑分子聚集而成的。主要包括兩親分子形成的各種有序聚合物，如液晶、囊泡、膠團、微乳液、自組裝膜以及生物分子和高分子的自組織結構等。分子間或分子內的弱相互作用是維繫模板的作用力，從而形成不同空間結構特徵的聚集體。這種聚集體具有明顯的結構界面，無機物正是通過這種特有的結構界面而呈現特定的趨向分布，進而獲得模板所具有的特異結構的納米材料。軟模板在製備納米材料時的主要特點有:

(1)軟模板一個顯著的特點是在模擬生物礦化方面有絕對的優勢;

(2)軟模板的形態具有多樣性;

(3)軟模板一般都很容易構築，不需要複雜的設備。

但是相比硬模板，軟模板結構的穩定性較差，因此通常模板效率不夠高。

硬模板

硬模板主要是通過共價鍵維繫的剛性模板，如具有不同空間結構的高分子聚合物、陽極氧化鋁膜、多孔矽、金屬模板、天然高分子材料、分子篩、膠態晶體、碳納米管等。與軟模板相比，硬模板具有較高的穩定性和良好的窄間限域作用，能嚴格地控制納米材料的大小和形貌。但硬模板結構比較單一，因此用硬模板製備的納米材料的形貌通常變化也較少。

軟模板法製備納米材料

生物分子模板法製備納米材料

利用DNA分子作模板製備納米材料

DNA分子是生物體系中遺傳信息的攜代者，近年來人們開始意識到利用DNA分子為模板構建具有特定結構和形狀的無機納米粒子的可行性和套用價值。通過對DNA中鹼基對的裁剪可以人為設計和精確控制DNA分子的長短。DNA分子直徑較小，分子識別能力和自組裝能力很強，是很好的生物模板。而各種大量的具有特定長度和特定序列的DNA可以在合成器中自動生成。這些進展為利用DNA精確控制納米材料合成提供了前提條件。

利用蛋白質等分子作模板製備納米材料

蛋白質也是一種性能良好的生物模板，整個生物界中己知存在的蛋白質總數逾百萬種。蛋白質是由若干個胺基酸通過膚鍵連成的長鏈生物大分子。生物體內幾乎一切最基本的生物活動都與蛋白質有關。蛋白質含有豐富的經基、氨基、磷酸根等功能基團，具有很強的識別作用和良好的骨架結構。

利用微生物作模板製備無機納米材料

以具有特定結構的生物組織作為模板，利用生物自組裝及其空問限域效應，通過生物體的生理特性，可以設計和合成出具有不同形貌及結構的無機功能納米材料。微生物細胞具有各種各樣的幾何外形，如球狀、絲狀、螺旋狀、玉米狀、刺猾狀等。用現有的任何加工手段都很難加工出如此精緻的三維圖形，它們為納米材料的合成提供了豐富的模板。

利用礦物骨架作模板製備無機納米材料

一些礦物組織中的天然結構可直接用作模板，如烏賊骨去礦化後的有機骨架結構，雞蛋殼膜的有機網路結構等。

利用植物體作模板製備無機納米材料

利用植物體製備無機納米材料的主要原理就是利用植物細胞壁作為無機成核和界面分了識別的模板，誘導納米顆粒的自組裝，連續的細胞壁網路空間又近一步誘導無機納米材料有序牛長。利用植物體模板控制合成無機納米材料具有廉價、豐富、易得、環境友好等特點，反應溫和，反應過程加入的化學試劑和產生的有毒副產物少，符合綠色合成的要求，並且生成的無機納米顆粒附著在植物體上不易發生團聚等，因而是一個極具潛力的發展方向。

PAM軟模板法製備納米材料

聚丙烯酞胺（PAM）是一種種類繁多、特徵各異的有機高分了聚合物。它是由丙烯酞胺單體在引發劑作用下均聚或共聚所得聚合物的統稱，為線狀水溶性高分了聚合物。外觀為白色粉末狀或無色x稠膠體狀，無臭、中性、溶於水，兒乎不溶於有機溶劑，溫度超過120℃時易分解。丙烯酞胺的分了中具有陽性基團（-），能與分散於溶液中的懸浮粒了吸附和架橋，有絮凝作用。由於它獨特的理化特性被廣泛地套用於多種工業行業網。

仿生支撐液膜法製備納米材料

支撐液膜（SLM）是一類含載體的有機溶液附著在多孔惰性的的聚合膜空隙內而形成的人造液膜。它從化學模擬生物礦化的角度出發，進行選擇性傳輸、定向結合陰離子、控制結晶位點、簡單控制納米粒子自組裝形成納米球鏈。反應體系相對穩定，產物處理簡捷，易於工業化。這種新的仿生方法對納米材料與器件的組裝製備以及生物礦化的研究具有一定的價值。

微乳液法製備納米材料

微乳液法是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成一個均勻的乳液，從乳液中析出固相，這樣可使成核、生長、聚結、團聚等過程局限在一個微小的球形液滴內，從而可形納米級顆粒，同時這樣又可以避免顆粒之問的團聚。微乳液法實驗裝置簡單，能耗低，操作容易;所得納米粒子粒徑分布窄，且單分散性、界面性和穩定性好;與其它方法相比具有粒徑易於控制、適應面廣等優點。

硬模板法製備納米材料

陽極氧化鋁模板法製備納米材料

早在1932年，人們就已認識到多孔陽極氧化鋁膜（AAO）是由外部厚的多孔層及鄰近鋁基底的緊密的阻擋層構成。陽極氧化膜的研究很早就引起了科研工作者的興趣，其最早的工作又可追溯到1953年美國鋁製備公司研究室的F. Keller等的工作。進入20世紀90年代，隨著自組裝納米結構體系研究的興起，這種帶有高度有序的納米級陣列孔道的納米材料受到人們的重視。人們將AAO作為模板來製備納米材料和納米陣列複合結構，並在磁記錄、電了學、光學器件以及感測器等方面取得良好的研究成果。

二氧化矽模板法製備納米材料

分子篩MCM-41二氧化矽和通過溶膠一凝膠過程形成的二氧化矽都可用作納米結構材料形成的模板，其中MCM-41為介孔氧化矽模板，它具有納米尺寸的均勻孔，孔內可形成有序排布的納米材料，屬於外模板，而溶膠一凝膠法形成的二氧化矽膠粒則屬於內模板，在其上形成納米結構材料，最後二氧化矽用氧氟酸溶解除去。