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第1章 纳米化学基础3

1.1 植根于材料化学的纳米化学3

1.2 材料和纳米材料的合成4

1.3 材料自组装7

1.4 宇宙大爆炸8

1.5 “纳米”的意义何在？9

1.6 纳米材料的大或小9

1.7 纳米尺度下的量子力学10

1.8 什么是纳米化学？11

1.9 分子自组装与材料自组装11

1.10 什么是多级组装？12

1.11 引导的自组装12

1.12 超分子的视角13

1.13 自组装材料的族谱14

1.14 通向多孔固体材料16

1.15 向生物矿物学习——形貌即功能19

1.16 你能让晶体弯曲吗？21

1.17 无处不在的图案22

1.18 天然形态的人工合成22

1.19 材料的二维组装24

1.20 自组装单层膜与软印刷技术27

1.21 巧妙的团簇28

1.22 纳米线的前景30

1.23 操纵胶体30

1.24 介观尺度自组装33

1.25 集成体系的材料自组装34

参考文献36

思考题 关于材料化学、纳米化学、自组装材料的族谱、材料自组装和尺度48

第2章 化学图案化与软印刷53

2.1 针尖上的主祷文53

2.2 软印刷技术54

2.3 什么是自组装单层膜？55

2.4 软印刷技术的科学与艺术57

2.5 表面润湿性能的图案化59

2.6 凝聚形成的图形60

2.7 微透镜阵列61

2.8 纳米环的阵列62

2.9 自组装单层膜的集成63

2.10 固体表面的图案化65

2.11 印刷高分子67

2.12 超越分子——薄膜的转移印刷68

2.13 活细菌的接触印刷70

2.14 自组装单层膜的电接触71

2.15 自组装单层膜上的晶体工程72

2.16 学习自然界的生物晶体工程学74

2.17 湿的印章——奇妙的Liesegang环收缩76

2.18 湿刻图案78

2.19 胶体微球图案80

2.20 自组装单层膜上图案化的蛋白石阵列81

2.21 可变换功能基团的自组装单层膜82

2.22 通过光催化进行图案化83

2.23 可逆的自组装单层膜开关84

2.24 电润湿开关85

2.25 可调节表面形态的PDMS——可变形的模子87

2.26 “甜”的芯片88

2.27 横向剪切的图案印刷89

2.28 纳米剖层91

2.29 单孔道分辨率的氧化铝纳米孔道图案93

参考文献94

思考题 关于软印刷、自组装单层膜和图案化104

第3章 层层自组装109

3.1 一次组装一层109

3.2 静电超晶格109

3.3 有机聚电解质多层结构111

3.4 层层智能窗111

3.5 厚度多少才算薄？112

3.6 组装金属有机聚合物113

3.7 聚电解质多层膜的直接成像113

3.8 聚电解质-胶体多层膜115

3.9 具有组成分布的层层自组装膜116

3.10 层层自组装微机电系统117

3.11 捕获活性蛋白119

3.12 负载蛋白的多孔多层膜119

3.13 弯曲表面上的层层组装120

3.14 微晶体的包裹——聚电解质涂层的结晶药物释放系统121

3.15 用作药物运输的可降解层层自组装膜123

3.16 纳米气泡——新一代的超声造影剂124

3.17 取向分子筛膜的晶体工程126

3.18 有序的沸石多晶体阵列129

3.19 交联的晶体阵列130

3.20 多层布拉格堆叠中可调变的结构颜色131

3.21 二维层层组装的结构颜色133

3.22 拓扑复杂结构的多层化135

3.23 图案化的多层膜136

3.24 非静电的层层自组装137

3.25 低压制备多层膜138

3.26 层层自受限反应138

参考文献139

思考题 单层膜、多层膜、材料平面的设计149

第4章 纳米接触印刷和蘸写——印章和笔尖153

4.1 100 nm以下的软印刷技术153

4.2 微接触印刷的延伸153

4.3 加压印刷155

4.4 缺陷图案化——拓扑引导的刻蚀156

4.5 50 nm以下的纳米接触印刷157

4.6 纳米接触印写——蘸笔纳米印刷（DPN）158

4.7 硅表面上的DPN技术159

4.8 玻璃上的DPN技术161

4.9 半导体纳米线上的纳米印写161

4.10 溶胶-凝胶的DPN技术162

4.11 硬磁体上的软图案技术163

4.12 分子识别的印写164

4.13 蛋白质识别纳米结构的DPN技术166

4.14 DPN阵列技术检测HIV病毒166

4.15 生物构造的图案化169

4.16 噬性图案——酶的DPN技术169

4.17 静电DPN技术170

4.18 电化学DPN技术170

4.19 纳米电化学扫描探针显微镜171

4.20 超越DPN技术——电消减制备纳米结构173

4.21 纳米电纺纤维174

4.22 有机发光二极管针尖——具有纳米尺度扫描探头光源的原子力显微镜175

4.23 热的针尖——DPN烙铁177

4.24 结合纳米和DPN技术的组合数据库178

4.25 50 000个针尖环绕179

4.26 纳米记事簿181

4.27 基于PDMS印章的纳米尺度图案——DPN方式182

4.28 扫描探针接触印刷184

4.29 蘸笔纳米印刷的印章针尖185

4.30 两种技术的平衡186

4.31 纳米妖怪已经出瓶187

参考文献187

思考题 更精细的化学图案工具193

第5章 纳米棒、纳米管和纳米线的自组装197

5.1 结构单元的组装197

5.2 模板法制备纳米线197

5.3 直径可控的金纳米棒198

5.4 组成可调的纳米棒200

5.5 条码纳米棒的正交自组装203

5.6 纳米盘编码205

5.7 表面增强拉曼光谱206

5.8 自组装纳米棒208

5.9 磁性纳米棒束209

5.10 磁性纳米棒与磁性纳米簇210

5.11 吸引生物分子212

5.12 多级有序纳米棒213

5.13 纳米棒器件215

5.14 用具有纳米孔道的模板制备纳米管216

5.15 由纳米棒层层沉积制备纳米管218

5.16 单晶半导体纳米线的合成218

5.17 气-液-固相纳米线合成219

5.18 纳米线取向生长的控制因素220

5.19 等离子体与催化的结合221

5.20 纳米线的量子尺寸效应223

5.21 单一来源的前驱体224

5.22 超临界流体——液态-固态合成224

5.23 超细纳米线——纳米热电学226

5.24 多种组成和构型的纳米线228

5.25 纳米针229

5.26 操控纳米线230

5.27 膜泡中的纳米管和纳米线232

5.28 交叉的半导体纳米线——最小的发光二极管235

5.29 纳米线二极管和晶体管236

5.30 纳米线传感器236

5.31 纳米线催化电子器件238

5.32 纳米线异质结构239

5.33 纵向超晶格纳米线240

5.34 纳米离子学：纳米棒的离子交换243

5.35 同轴纳米线异质结构245

5.36 分支纳米线245

5.37 同轴门控纳米线晶体管248

5.38 垂直纳米线场效应晶体管249

5.39 集成金属-半导体纳米线——纳米级电触点250

5.40 光子驱动纳米线激光251

5.41 电驱动纳米线激光254

5.42 紫外纳米线探测器254

5.43 复合纳米线255

5.44 用纳米线制备单晶纳米管256

5.45 纳米线的溶液相合成258

5.46 纺丝纳米线器件260

5.47 电纺丝法制备空心纳米纤维261

5.48 碳纳米管262

5.49 碳纳米管的结构和电学性质263

5.50 弹道传输265

5.51 碳纳米管纳米力学266

5.52 碳纳米管化学268

5.53 排成一行的碳纳米管270

5.54 碳纳米管光子晶体271

5.55 随心所欲地放置碳纳米管274

5.56 挑战纳米线间隙275

5.57 集成纳米线的纳米电子器件277

5.58 硅纳米线太阳能电池——自供电的纳米电子设备278

5.59 透明纳米电子电路279

5.60 压电式纳米线发电机280

5.61 碳纳米管无线电接收器282

5.62 硅纳米线纳米机电系统：高频谐振器和超高灵敏度质量监测系统283

5.63 记忆犹新的纳米线285

5.64 长篇大论之后的一点思考287

参考文献287

思考题线、棒、管、低维度303

第6章 纳米晶体的合成与自组装309

6.1 结构单元的组装309

6.2 纳米晶体、纳米簇还是纳米颗粒？309

6.3 包覆半导体纳米晶体的合成310

6.4 纳米晶体箱中的电子和空穴312

6.5 纳米团簇相变315

6.6 观测纳米晶体的生长315

6.7 纳米烧杯中的纳米晶体317

6.8 包覆的金纳米晶体——纳米淘金潮318

6.9 硫醇配体包覆金纳米簇的单晶X射线衍射结构320

6.10 烷基硫醇包覆金纳米簇的检测321

6.11 包覆纳米晶体的分类322

6.12 纳米晶体的研究热潮323

6.13 包覆纳米晶体的结构和形貌323

6.14 烷基硫醇包覆银纳米晶体超晶格324

6.15 活性表面等离子体——可调的银纳米晶体超晶格326

6.16 纳米晶体组成的晶体328

6.17 导电的纳米晶体超晶格329

6.18 纳米协同效应330

6.19 如果你不喜欢有机物331

6.20 二元纳米晶体超晶格332

6.21 包覆磁性纳米晶体超晶格——高密度数据存储材料333

6.22 包覆纳米晶体的软印刷334

6.23 利用蒸发组织纳米晶体335

6.24 纳米“漏斗”底部的宝贝336

6.25 电致发光半导体纳米晶体338

6.26 全彩纳米晶体-聚合物复合材料340

6.27 轻触纳米晶体开关341

6.28 光致变色的金属纳米晶体342

6.29 水溶性纳米晶体343

6.30 生物分子与包覆半导体纳米晶体346

6.31 用于癌症治疗的热纳米棒348

6.32 纳米金颜色的来源349

6.33 纳米晶体DNA传感器——精益求精350

6.34 识别指纹的纳米晶体352

6.35 DNA-金联合探测汞354

6.36 纳米晶体半导体合金及其拓展355

6.37 核壳磁性合金纳米晶体356

6.38 纳米晶体的孔洞357

6.39 半导体纳米晶体的延伸和拓展358

6.40 无机树枝状结构359

6.41 超支化纳米晶体361

6.42 纳米金末端——纳米棒的接触363

6.43 纳米晶体二聚体、异质二聚体、异质三聚体和链的设计组装365

6.44 碳纳米团簇——巴基球375

6.45 用C60构筑纳米器件376

6.46 用C60进行碳催化377

参考文献378

思考题 纳米晶体、量子点、量子尺度效应391

第7章 微球——来自烧杯的颜色397

7.1 自然界的光子晶体397

7.2 光子晶体398

7.3 光子学中的半导体398

7.4 缺陷，缺陷，还是缺陷400

7.5 用光来计算400

7.6 颜色调节401

7.7 将自然界的光子晶体技术用于实验室402

7.8 微球结构单元402

7.9 二氧化硅微球403

7.10 聚合物微球403

7.11 多层微球403

7.12 微球合成和微流体反应器中的微气泡产生405

7.13 图案化的微球——内部和外部409

7.14 微球自组装基础414

7.15 微球自组装——晶体和薄膜414

7.16 胶体晶体流体416

7.17 超越微球的面心立方堆积417

7.18 模板——限域作用和外延生长418

7.19 展开多彩的蛋白石地毯419

7.20 光子晶体球421

7.21 有识别能力的胶体晶体423

7.22 光子晶体纤维424

7.23 胶体晶体的光学性质——Bragg-Snell定律425

7.24 胶体晶体的基本光学性质426

7.25 如何才称得上完美427

7.26 开裂的矛盾428

7.27 合成完全光子带隙429

7.28 从介电微球牢笼里逃出——单分散金属微球的自下而上和自上而下合成431

7.29 写出缺陷432

7.30 智能化的平面缺陷433

7.31 更聪明的平面缺陷435

7.32 基于光的光开关437

7.33 热致变色胶体光子晶体开关437

7.34 液晶光子晶体438

7.35 内部的光源440

7.36 光子墨水440

7.37 全色光子晶体显示442

7.38 弹性光子晶体——彩色指纹提取与防伪444

7.39 磁调制的光子晶体——磁性液体颜色444

7.40 电场调制颜色的胶体晶体446

7.41 颜色振荡447

7.42 光子晶体传感器448

7.43 胶体晶体色谱449

7.44 穿过胶体晶体的高分子452

7.45 快速路上的慢光子454

7.46 增强的和方向依赖的光催化454

7.47 在硅太阳能电池中增强光电导率456

7.48 光子晶体加密458

7.49 美杜莎化学——石头的蝴蝶459

7.50 凝视光子晶体461

参考文献462

思考题 胶体组装、胶体晶体、胶体晶体器件、结构颜色472

第8章 软结构单元构筑的微孔和介孔材料477

8.1 逃离沸石的囚笼477

8.2 多孔材料的元素组成478

8.3 微孔材料的模块自组装479

8.4 储氢配合物多孔材料481

8.5 结晶共价有机骨架材料482

8.6 微孔材料的总结与展望483

8.7 介观尺度软结构单元484

8.8 介观生长——界面和介观外延485

8.9 介观生长和拓扑缺陷487

8.10 介观生长——胶束还是液晶模板489

8.11 介观尺度的蛋白石结构490

8.12 设计介孔材料492

8.13 尺度调整493

8.14 介观结构与维度495

8.15 阳极氧化铝多孔膜中的介孔取向495

8.16 制备垂直取向的介孔孔道496

8.17 垂直取向介观孔道的其他方法497

8.18 电化学辅助组装垂直孔道的有序介孔二氧化硅薄膜498

8.19 介观形貌——球或其他形状499

8.20 有望用于高效液相色谱的有序介孔有机硅材料500

8.21 介观形貌——曲面形貌的可控合成502

8.22 介观形貌——手性介孔二氧化硅503

8.23 介观形貌——图案化薄膜，软印刷和微模塑形505

8.24 介观组成——前驱体的性质508

8.25 介孔孔壁的功能化508

8.26 骨架中的有机基团509

8.27 一步法合成介孔结构酚醛树脂材料和复制碳结构511

8.28 介孔复制513

8.29 有序介孔二氧化硅形貌的复制514

8.30 介观结构516

8.31 有序介孔二氧化硅中的近结晶孔壁517

8.32 介孔中的客体518

8.33 介孔二氧化硅纳米粒子用于智能药物缓释519

8.34 穿越不可透过膜521

8.35 包覆纳米晶体522

8.36 在介孔二氧化硅中标记时间——光学存储的新途径523

8.37 有序介孔二氧化硅——聚合物杂化材料524

8.38 介观化学——中间尺度上的材料合成525

参考文献526

思考题 模板、前驱体、孔材料539

第9章 嵌段共聚物的自组装545

9.1 纳米化学中无处不在的聚合物545

9.2 嵌段共聚物自组装545

9.3 组装无机聚合物547

9.4 嵌段多肽548

9.5 嵌段共聚物的生物工厂550

9.6 嵌段共聚物薄膜551

9.7 电致有序553

9.8 嵌段共聚物的空间受限553

9.9 嵌段共聚物的三维空间受限554

9.10 纳米外延556

9.11 胶束制备557

9.12 活性嵌段共聚物产生的活性柱状胶束559

9.13 通过嵌段共聚物胶束的层层自组装构筑纳米孔抗反射涂层560

9.14 超分子组装563

9.15 超分子蘑菇结构564

9.16 来自光波尺度嵌段共聚物的结构颜色565

9.17 一维嵌段共聚物空间受限——多级布拉格反射镜566

9.18 颜色可调的嵌段共聚物凝胶布拉格反射镜567

9.19 驾驭刚性棒568

9.20 纳米结构陶瓷570

9.21 纳米单体571

9.22 嵌段共聚物刻蚀572

9.23 装饰嵌段共聚物574

9.24 嵌段共聚物的润湿性575

9.25 嵌段共聚物中的纳米线577

参考文献578

思考题 嵌段共聚物自组装纳米结构585

第10章 生物材料与生物启示589

10.1 捷足先登的大自然589

10.2 模仿还是应用？590

10.3 真假化石591

10.4 大自然的雕塑作品591

10.5 从古到今的合成形态学593

10.6 仿生学594

10.7 材料设计的生物启示595

10.8 生物矿化和仿生模拟595

10.9 形态合成——复杂形貌的无机材料597

10.10 形态合成——棘皮动物与嵌段共聚物599

10.11 磷酸铝的形貌600

10.12 化学合成的人工骨骼601

10.13 矿化纳米纤维602

10.14 蚊眼仿生——合成抗雾表面603

10.15 生物启发——化学驱动的纳米棒电动机606

10.16 生物启发——向自然学习609

10.17 生物启发——病毒外壳引导的纳米簇合成609

10.18 生物材料——借助自然610

10.19 闪金光的病毒611

10.20 核酸引导的纳米簇组装612

10.21 DNA编码的纳米簇链613

10.22 用DNA构筑材料615

10.23 用你的DNA画一个笑脸617

10.24 细菌引导的材料自组装617

10.25 借助病毒的组装619

10.26 磁性蛛丝621

10.27 用作掩模的S层蛋白621

10.28 自上而下制备的光子晶体624

10.29 生命形态的聚合物625

10.30 选择性的表面结合626

10.31 纳米线的进化628

10.32 生物分子马达——随处可见的纳米机器630

10.33 生物马达是如何工作的631

10.34 行走的驱动蛋白633

10.35 以肌肉为动力的纳米机器635

10.36 细菌动力636

10.37 ATP酶——生物马达纳米螺旋桨638

10.38 来自生物的启示639

参考文献640

思考题 有机质、生物矿化、仿生、生物启发652

第11章 大尺度结构单元的自组装657

11.1 超微米结构的自组装657

11.2 基于毛细作用的自组装657

11.3 大尺度多面体结构单元的“结晶”659

11.4 二维和三维电路和器件的自组装659

11.5 微米尺度平面结构单元的“结晶”661

11.6 带有图案化表面多面体的自构筑663

11.7 大尺度球形结构单元自组装成三维“晶体”665

11.8 合成的微机电系统？666

11.9 接触带电——带电球的有序排列666

11.10 磁性自组装667

11.11 动态自组装668

11.12 自主的自组装671

11.13 自组装与合成生命672

参考文献673

思考题 静态和动态，毛细作用，形状组装676

第12章 纳米及纳米之外679

12.1 自组装的未来679

12.2 微流体679

12.3 单纳米线太阳能电池681

12.4 可拉伸硅682

12.5 用金来抑制HIV683

12.6 变脸的纳米立方体683

12.7 纳米矿物质684

12.8 纳米火箭685

12.9 空心纳米结构685

12.10 在纳米尺度上输运686

12.11 用3D黏墨书写686

12.12 纳米线掩模687

12.13 液体激光器687

12.14 用纳米线和纳米晶体修复689

12.15 通过DNA组装纳米晶体690

12.16 石墨烯——电子学的王子？690

12.17 自愈合材料691

12.18 多铁性材料691

12.19 材料的逆组装692

12.20 更重要的——“下一代”材料693

参考文献696

思考题 纳米集萃698

第13章 纳米化学实验室703

13.1 荧光纳米环阵列704

13.2 铁磁性纳米晶体阵列704

13.3 沸石膜704

13.4 电致变色的装置704

13.5 尺度减小的软印刷705

13.6 条码磁性纳米棒的自组装705

13.7 碳纳米管场发射显示器705

13.8 光导硒纳米线705

13.9 金属胶体705

13.10 金属-非金属转变705

13.11 量子点的近红外发射706

13.12 纳米烧杯中的纳米晶体706

13.13 胶体光子晶体的指纹识别706

13.14 胶态晶体的毛细管柱706

13.15 低介电常数薄膜706

13.16 嵌段共聚物蚀刻706

13.17 病毒引导的矿化707

13.18 生物材料模板707

13.19 宏观尺度自组装707

13.20 胶体晶体的形状707

附录A“自组装”一词的起源708

参考文献711

附录B纳米化学的起源712

参考文献713

附录C纳米粒子的细胞毒性714

参考文献715

索引717