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奈米孔洞材料與奈米級(jí)多孔材料薄膜的應(yīng)用！
來(lái)源:富涂
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作者:FRUTO
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發(fā)布時(shí)間: 2965天前
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奈米孔洞材料依孔徑大小可分為微孔洞物質(zhì)、界孔洞物質(zhì)、大孔洞物質(zhì)?？讖皆?2nm 以下稱為微孔洞，以沸石(Zeolite)為代表；在 2nm 到 50nm 之間稱為界孔洞，如MCM41、SBA-15；大於 50nm 稱為大孔洞，光晶材料等屬此類。奈米孔洞材料由於具有一致性的孔徑大小、相同的孔洞形狀、可容易調(diào)整孔洞、擁有大表面積、高熱穩(wěn)定性，因此可運(yùn)用於催化反應(yīng)、生化分離、選擇性偵測(cè)、重金屬分離、合成奈米碳管等許多領(lǐng)域的應(yīng)用。
奈米孔洞材料的應(yīng)用
奈米孔洞材料依孔徑大小可分為微孔洞物質(zhì)、界孔洞物質(zhì)、大孔洞物質(zhì)?？讖皆?2nm 以下稱為微孔洞，以沸石(Zeolite)為代表；在 2nm 到 50nm 之間稱為界孔洞，如MCM41、SBA-15；大於 50nm 稱為大孔洞，光晶材料等屬此類。奈米孔洞材料由於具有一致性的孔徑大小、相同的孔洞形狀、可容易調(diào)整孔洞、擁有大表面積、高熱穩(wěn)定性，因此可運(yùn)用於催化反應(yīng)、生化分離、選擇性偵測(cè)、重金屬分離、合成奈米碳管等許多領(lǐng)域的應(yīng)用。 在以下的奈米孔洞材料應(yīng)用中，主要是介紹孔徑較小的沸石(Zeolite)及界孔洞分子篩在各領(lǐng)域的用途。光晶材料等大孔洞物質(zhì)則不多做陳述。
分子篩的表面修飾
介孔洞矽因表面積大且具有規(guī)則排列的孔洞，故在環(huán)境上及工業(yè)上都有很廣泛的應(yīng)用。但實(shí)際上這些應(yīng)用都需要材料具有一些特性，如結(jié)合部位(binding site)、光化學(xué)結(jié)構(gòu)、電荷密度、酸性等。所以，在此部分的應(yīng)用是在介孔洞矽表面接上官能基 thiol groups，建構(gòu)一層有機(jī)層。
Thiol groups 的碳?xì)滏溤诨纳暇奂纬勺蠲芏逊e的規(guī)則排列，而siloxane groups在水解過(guò)後，最終與基材共價(jià)結(jié)合，並與旁邊的siloxane groups cross-linked。所形成的材料稱為 FMMS (Functionalized monolayer on mesoporous supports)，如圖一所示。若將含重金屬污染液以 FMMS 處理過(guò)後，重金屬如汞，會(huì)被 FMMS 吸附，如圖二所示。但一些如鈉、鋇、鋅等金屬吸附力則不佳，所以利用 FMMS可吸附重金屬的性質(zhì)，在環(huán)境上，可以用來(lái)處理有重金屬污染的廢液；在工業(yè)上，則可拿來(lái)分離一些重金屬。
選擇性化學(xué)物質(zhì)偵測(cè)
在現(xiàn)今科學(xué)研究愈來(lái)愈需要更精密的偵測(cè)，在許多化學(xué)偵測(cè)器的研發(fā)中，儘管努力地提升其偵測(cè)的靈敏度，但總是被 transducer 和分析物間界面材質(zhì)的選擇性扯後腿。所以這裡介紹一種用於 thermal transducer 上的 zeolite-based 氧化觸媒，藉此可提升其選擇性。
詳細(xì)來(lái)說(shuō)，這裡的 transducer 其實(shí)是一種微機(jī)械器材TFCM(thin-film catalytic microcalorimeter)。若加上適當(dāng)催化劑，如圖三所示，花紋處元素則會(huì)因催化劑的加入，反應(yīng)產(chǎn)生的熱通量通過(guò)電阻，形成分析訊號(hào)的基準(zhǔn)，而提高此元素選擇性。在此加入的催化劑是前述的氧化觸媒(combustioncatalyst)，使 TFCM 成為微小化的感熱器，一種可偵測(cè)可燃燒物質(zhì)的儀器，就算物質(zhì)獨(dú)特性很低，仍可有良好的選擇性。
昆蟲可以藉其體內(nèi)的選擇性來(lái)分離飲食中的β-sitosterol 和 campesterol；某些生物膜及紅血球也可以分離此兩種固醇類的物質(zhì)。當(dāng)然在產(chǎn)業(yè)上不可能是應(yīng)用生物方法來(lái)分離，所以介紹一種可有效分離固醇類的方法：Zeolite 是一種有規(guī)律排列的微孔洞物質(zhì)，藉由其有固定形狀的孔洞，則可選擇性地分離大小不同的類固醇。
在生物學(xué)中，一種叫 Acetobacter xylinum 的細(xì)菌會(huì)提供纖維素合成酶，此合成酶會(huì)先生成出基本的纖維細(xì)絲，這細(xì)絲會(huì)在細(xì)胞膜上的奈米孔洞藉著擠壓生成較大、較完整的纖維；而一具有規(guī)則排列的催化位置的介孔洞材料，則可以模擬此一過(guò)程，運(yùn)用在合成纖維狀聚合物上。
在前述的應(yīng)用中，微孔洞材料 Zeolite 佔(zhàn)有舉足輕重的地位，但 Zeolite 優(yōu)秀的催化能力卻被其狹小的內(nèi)部空間及孔洞所限制住。所以有些材料的合成就不適用 Zeolite，而需要孔徑較大的奈米孔洞材料，如接下來(lái)所介紹的介孔洞材料 MCM-41。
MCM-41 是六角柱陣列構(gòu)成的一維孔洞。其孔徑可以藉由改變介面活性劑的鏈長(zhǎng)或藉由可拉長(zhǎng)介面活性劑的有機(jī)分子，大小可從 1.6nm 到 10nm。而近年來(lái)所合成的高品質(zhì)MCM-41 大多在 4.5nm 以下。MCM-41 之所以可以吸引許多目光主要是因?yàn)椋浩湓诳锥磧?nèi)的空間可用來(lái)當(dāng)作合成其他材料的容器或模板。圖十左就是 MCM-41 方向的 TEM 圖，可看出由六角柱構(gòu)成的陣列。
以合成鉑 Pt 為例，當(dāng) Pt 置於 MCM-41 的六角柱陣列中，會(huì)成長(zhǎng)出 Pt nanowire，大部分的 nanowire 會(huì)沿著六角柱成長(zhǎng)，如圖十右的細(xì)箭頭所指，也有少部分會(huì)在外表面成長(zhǎng)，如圖十右粗箭頭所指。
奈米級(jí)多孔材料薄膜的應(yīng)用
前言奈米多孔性材料（zeolite）具有分子尺寸的孔洞，其在實(shí)驗(yàn)室中的常見用途為分子篩，利用其極小的孔洞以及矽元素對(duì)氧的吸附力，作為水、氧氣及其他雜質(zhì)的過(guò)濾器。近年來(lái)由於奈米科技的蓬勃發(fā)展以及探測(cè)技術(shù)如掃描式電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧式電子顯微鏡（TEM）等的快速進(jìn)步，我們得以一窺這些孔洞材料的面貌，並對(duì)於其性質(zhì)和應(yīng)用作更進(jìn)一步的探討。
近年來(lái)發(fā)現(xiàn)由這些孔洞材料所形成的單層膜（monolayers）在許多方面具有發(fā)展的潛力而成為一熱門研究主題，其用途包含：
可辨識(shí)分子並將不同分子分離的分離用薄膜（separation membrane）。
於界面處可進(jìn)行化學(xué)或催化反應(yīng)的反應(yīng)用薄膜（reaction or catalysis membrane）
雷射裝置的改良（microsystems）
光能儲(chǔ)存系統(tǒng)（light energy harvesting device）
電極的改良等用途。其中這些多孔洞材料的薄膜在某些條件下（比如說(shuō)透過(guò)不同種類的鍵結(jié)方式）會(huì)組裝成具有整齊排列的形式，因此我們就以此介紹一些奈米級(jí)多孔薄膜在壓電（piezoeletric）材料及高分子材料上的一些應(yīng)用。此外也有其它以孔洞材料作為探測(cè)器的一些實(shí)例，而不侷限於薄膜。
應(yīng)用
其中一種奈米多孔性薄膜，其 SEM 及 X 光繞射圖如圖一所示。其乃利用氫鍵為鍵結(jié)，使其在高分子材料（如壓克力、聚乙烯醇、聚環(huán)烷等）中組裝成薄膜（圖二）。由圖可知，形成氫鍵的方式大致有二，即高分子上的氧原子和多孔材料的 OH 上的氫原子形成氫鍵，或是高分子上的 OH 基和多孔材料上的 OH 基作用形成氫鍵。而圖三的左圖和右圖分別為將此多孔性薄膜附著在一般玻璃前後的情形。
附能力。
（converse piezoelectric effect），即利用改變電場(chǎng)時(shí)壓電材料產(chǎn)生形變並造成其震盪頻率的下降，而得以很準(zhǔn)確地得知多少重量的待測(cè)物質(zhì)吸附多少於表面上，再配合待測(cè)霧之分子量，即可知多孔材料上所吸附的待測(cè)物質(zhì)之?dāng)?shù)量。以正丁烷和異丁烷的吸附作為對(duì)照，可發(fā)現(xiàn)由於兩者形狀及有效大
小的不同（正丁烷為線型，而異丁烷較像球形），因此孔洞
材料上正丁烷的吸附量很明顯地比異丁烷多（圖八）
分子，如此一來(lái)就可更靈敏地檢測(cè)出待測(cè)分子的含量。且使用此多孔性薄膜材料有另一優(yōu)點(diǎn)：由於其本身吸附力強(qiáng)且吸附量多，因此此類多孔薄膜探測(cè)器的體積相當(dāng)小，也就是可在不傷害其他細(xì)胞的情況下在身物體內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。
多孔材料的另一應(yīng)用為分子影像上的應(yīng)用。簡(jiǎn)圖如圖九，將多孔材料所組成的分子通道上吸附一些分子染料，在利用生物分子的特異性，對(duì)某些抗體之類的分子有高親和力而附著於其上並產(chǎn)生螢光，由螢光強(qiáng)度便可知所含待測(cè)物之
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