纳米材料化学

纳米材料化学研究的是至少一个维度在纳米范围内的材料的合成、结构和尺寸依赖性性质，其中量子限制和极高的表面积与体积比使其表现出与块体材料不同的行为。

Definition

纳米材料化学是研究如何通过合成控制纳米材料的尺寸、形状和表面化学，以及它们如何产生与相应块体固体不同的光学、电子和催化等性质的学科。

Scope

该领域涵盖了纳米尺度物质的化学原理：零维量子点和纳米晶体，其光学性质取决于尺寸；二维材料，如石墨烯和过渡金属二硫化物；纳米颗粒的胶体和溶液相合成及其组装成有序超结构；以及用于构建纳米结构固体的软化学、溶胶-凝胶和模板路线。它始终将尺寸和形状与电子、光学和催化功能联系起来。

Sub-topics

• 纳米颗粒的合成与组装
• 量子点和纳米晶体
• 溶胶-凝胶与软化学
• 二维材料

Core questions

• 当固体尺寸减小到纳米级别时，材料性质为何会发生变化？
• 如何合成具有可控尺寸和形状的纳米晶体、纳米片和纳米颗粒？
• 表面原子的主导作用如何改变纳米尺度的化学性质？
• 如何将纳米尺度的构建块组装成功能性结构？

Key concepts

• 量子限制
• 表面积与体积比
• 胶体纳米晶体合成
• 形状和晶面控制
• 纳米结构的自组装
• 表面配体和封端剂

Key theories

纳米晶体中的量子限制

当半导体晶体的尺寸与激子尺寸相当时，电子能级变得离散，有效带隙随尺寸减小而增宽，因此光学吸收和发射可以通过简单地改变颗粒尺寸来调节。

纳米晶体的形状和表面控制

纳米晶体的性质不仅取决于尺寸，还取决于形状和暴露的晶面，这些在胶体合成过程中通过表面活性剂和生长条件进行动力学控制，并决定了催化和等离子体行为。

Clinical relevance

纳米材料化学是广泛技术的基础：尺寸可调的量子点用于显示器和生物成像，高表面积纳米颗粒用作催化剂和电极，二维材料则被探索用于电子、传感器和膜。

History

1980年代和1990年代，人们认识到半导体纳米晶体表现出尺寸依赖性光学性质，并在Alivisatos于1996年的综述中得到系统阐述，这确立了量子限制作为一种化学可控现象。随后，胶体合成的进步实现了对尺寸和形状的精确控制，而2004年石墨烯的分离则开启了二维材料的化学研究，将该领域扩展为纳米化学这一学科。

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Mostafa El-Sayed
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

为什么纳米颗粒的行为与相同材料的块体形式不同？

在纳米尺度上，主要有两种效应：很大一部分原子位于表面，改变了反应性和能量学；对于足够小的半导体，电子受到量子限制，这使得能级离散化，并相对于块体材料改变了光学和电子性质。

如何调节量子点的颜色？

由于量子限制，半导体纳米晶体的有效带隙随其尺寸减小而增大。制造更小的点会将吸收和发射移向更高能量（更蓝），因此可以通过在合成过程中简单地控制颗粒尺寸来选择颜色。