CN104395229A - 具有不同功能属性面的纳米结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基本扁平的带有第一个面和第二个面的纳米片层结构，第一个面具有与第二个面实质上不同的属性。这种纳米片层结构在某些各向异性的条件，例如相分离界面，剪切应力，摩擦，温度梯度，黏度，密度，和/或以上的组合，下可以具有自组装性。

Description

具有不同功能属性面的纳米结构

本申请要求2012年6月1日提交的美国临时申请No.61/654089的权益，该临时申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明是关于纳米技术和材料科学领域。纳米技术可以包括纳米结构，纳米结构的化学组分，包含有纳米结构的设备以及利用了从结构的物理尺寸衍伸出的特殊性质的纳米结构的特殊应用。更具体地说，本发明公开是针对纳米片层结构。

附图说明

之后的细节描述参考附带的图片。

这张图片是从概念上对包括第一个功能面和第二个功能面的纳米结构的阐释。

具体实施方式

综述

虽然有许多纳米结构具有一些源于它们尺寸的本征属性，本发明公开了一种方法其中新属性不仅来源于纳米结构的尺寸，也来源于纳米结构的形状和。根据本发明公开所述的纳米结构可以具有导致其在如下条件例如，但不局限于，相界，剪切应力，摩擦，表面应力的不同，和/或温度梯度下显示出自组装能力的各向异性。

本发明描述了一个三维的物体在其中至少一个方向上尺寸小于100纳米，第二和第三个方向上尺寸实质上大于100纳米。这个物体可以包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面具有实质上不同的属性。不同的表面属性可以是不同的化学结构或相同的化学结构但不同的排列方向，晶体结构，缺陷，取代掺杂剂或其它性质引起的性能上的实质不同。例如但不局限于，表面属性可以包括表面终止状态，表面能，亲水性，热导率，热膨胀系数，反应活性和导电性。通过应用所述物体第一表面和第二表面性质的不同，包括所述物体的颗粒状物质可以被构成同时具有多种不同的表面属性。

在一些实施方式中，所述物体可以用一种自上至下的方法制出或，在另一些实施方式中，所述物体可以用一种自下至上的方法制出。

多种不同的实施例子和实施方式在以下文字中被描述到。然而，这些例子仅作为阐释之用，其它对具有不同功能属性面的纳米结构的实施方式可以被执行而不偏离本公开的范围。

阐释性的具有不同功能属性表面的纳米结构

图中显示的实施例是作为一个例子来展现的。图中显示的组成部分如果有必要可以被合并来造出不同构成方式的具有不同功能属性表面的纳米结构。在某些构成方式中图中显示的组成部分可以被重新排列，修饰，重复，和/或略去。

实施例一

如图所示，一些实施方式可以采用自上而下的方法来制备第一个面102和第二个面104具有不同属性的纳米结构100。一个1比1的层状材料，例如层状硅酸盐中的一种，可以被提供。层状硅酸盐组可能包括，但不局限于，高岭土，蛇纹石和绿泥石。1比1的层状材料的晶体结构可以包括结构上不同的片层。机械粉碎技术可以被用来降低这种材料的颗粒尺寸。这种材料可以显示出层状脱水属性。层状脱水可以发生在某些温度下当一个水合材料的交替层倾向于脱水而其他层保持水合时。在最初的降低颗粒尺寸之后(例如通过机械粉碎的方法)，片层分离可以通过超声，热处理，剪切应力，电磁场或其它方法，分别或同时使用来获得。

在一个特殊例子中，一种蛇纹石粉末用Spex8000M高能球磨机干磨至平均颗粒尺寸小于1微米。球磨后，将粉末加热至400℃维持8个小时以造成层状脱水。样品失重百分之三到百分之四，而完全的脱水将导致样品失重百分之十三。之后，所得的粉末用Cole-300W超声处理器在乙醇中超声分散一个小时。所得的片状颗粒观察到在其一面具有变形氧化镁结构，另一面具有四面体二氧化硅结构。在一些实施例中，包括氧化镁结构的一面可能结合到金属表面，暴露出具有二氧化硅结构的一面。

实施例二

在第二种实施方式中，具有两个不同面的纳米结构可以采用一种自下而上的方法来合成，例如直接合成层状纳米片层结构之后再对其中一面进行改性。

在一个特殊例子中，精磨的镁橄榄石粉末与偏硅酸钠混合后在250℃在一个Advancer Kilobatch微波高压反应器里微波水热合成三个小时。所得的粉末用一台300瓦的超声处理器分散在乙醇中。沉淀的方法被用来从大颗粒的宿主镁橄榄石上分离合成的纳米片层结构。

其它方法也可以被用来制备第一个面和第二个面具有实质上不同属性的纳米结构。一些示例的方法可以包括光刻技术，化学或等离子气相沉积一种材料在纳米结构的第一个面或第二个面上。例如，金或铂可以被沉积在滑石或二硫化钼的纳米片层结构上。

结论

虽然本公开使用的语言是针对结构性质和/或方法学上的行为，需要了解的是本公开的范围不局限于所描述的特殊性质或行为。相反，所述特殊性质和行为的公开是为了阐明实施的形式。

Claims (29)

1.一种纳米结构包括：

至少在一个方向上尺寸小于100纳米；

一个具有第一属性的第一表面；和

一个具有第二属性的第二表面，第一属性与第二属性不同。

2.根据权利要求1所述的纳米结构，其中第一表面包括第一种物质组分且第二表面包括不同与第一种物质组分的第二种物质组分。

3.根据权利要求1所述的纳米结构，其中第一表面和第二表面构成所述纳米结构以响应一种各向异性的条件。

4.根据权利要求3所述的纳米结构，其中所述纳米结构被构成为通过显示自组装性能来响应。

5.根据权利要求3所述的纳米结构，其中所述纳米结构响应的各向异性条件包括以下至少一种：

相界；

剪切应力；

摩擦；

表面张力的不同；或

温度梯度。

6.根据权利要求1所述的纳米结构，其中第一属性包括第一个面与金属表面结合并暴露出第二个面的能力。

7.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构包括一种纳米片层结构。

8.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一表面包括第一化学结构，且所述第二表面包括与所述第一化学结构不同的第二化学结构。

9.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一表面包括具有第一排列方向的化学结构，且所述第二表面包括具有第二排列方向的化学结构，所述第二排列方向与所述第一排列方向不同。

10.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一表面包括第一晶体结构，且所述第二表面包括与所述第一晶体结构不同的第二晶体结构。

11.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一表面包括第一缺陷或掺杂剂，且所述第二表面包括与所述第一缺陷或掺杂剂不同的第二缺陷或掺杂剂。

12.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一表面终止状态，且所述第二属性包括不同于所述第一表面终止状态的第二表面终止状态。

13.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一特性包括第一表面能，且所述第二特性包括不同于所述第一表面能的第二表面能。

14.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一亲水性，且所述第二属性包括不同于所述第一亲水性的第二亲水性。

15.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一热导率，且所述第二属性包括不同于所述第一热导率的第二热导率。

16.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一热膨胀系数，且所述第二属性包括不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。

17.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一反应活性，且所述第二属性包括不同于所述第一反应活性的第二反应活性。

18.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一属性包括第一导电性，且所述第二属性包括不同于所述第一导电性的第二导电性。

19.一种制备具有各向异性的纳米结构的方法包括：

将材料的颗粒尺寸降低到小于1微米的平均颗粒尺寸，所述材料包括结构上不同的片层；和

采用层状脱水来分离材料的不同片层。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述材料包括层状硅酸盐中的一种。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述材料包括高岭土，蛇纹石或绿泥石。

22.根据权利要求19所述的方法，其中降低材料的颗粒尺寸包括对材料进行机械粉碎。

23.根据权利要求19所述的方法，其中层状脱水是通过超声，热处理，剪切应力，电磁场或它们的组合来实现的。

24.一种合成具有各向异性的纳米结构的方法包括：

将第一材料与不同于所述第一材料的第二材料混合，以形成混合物；

使所述混合物经受合成反应，以形成合成的纳米片层，所述纳米片层在一个面上具有所述第一材料且在第二面上具有第二材料；

将合成的纳米片层在载体中分散；和

将合成的纳米片层与宿主颗粒分离。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一材料包括镁橄榄石粉末。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二材料包括偏硅酸钠。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述合成反应包括微波水热合成。

28.根据权利要求24所述的方法，其中将合成的纳米片层在载体中分散包括使用超声处理器在乙醇中分散所述纳米片层。

29.根据权利要求24所述的方法，其中将合成的纳米片层与宿主颗粒分离通过沉淀来执行。