電磁控制的幾種納米顆粒的組裝研究.pdf

1、自組裝是自然界乃至人類社會都普遍存在的一種現(xiàn)象。隨著納米科學(xué)技術(shù)的興起,科學(xué)家們開始致力于以納米顆粒為基本單元,利用各種方法將納米顆粒組裝為有序結(jié)構(gòu),一直以來,這都是納米科學(xué)技術(shù)研究的基本范疇和熱點(diǎn)所在。本文提出了一種利用電磁場技術(shù)輔助組裝納米材料的新設(shè)想,具有可控、簡單方便、適宜大規(guī)模運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)。 具體說來,本論文開展了如下工作： 一、設(shè)計了一種新的電極配置方式,產(chǎn)生交變電場以組裝一種啞鈴形的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料。新的電極

2、設(shè)計采用探針和銅網(wǎng)構(gòu)成電極,讓納米粒子直接在銅網(wǎng)上組裝,組裝完成即可用透射電子顯微鏡觀察。因?yàn)轭w粒不再是簡單的球形顆粒,所以出現(xiàn)了新的組裝形態(tài)。隨著頻率的改變,異質(zhì)顆粒還會出現(xiàn)不同材料部分相分離的情況。我們用雙電泳理論解釋了觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 二、將時間可變性引入到磁場誘導(dǎo)的磁性納米材料組裝中,利用高頻大功率的交變磁場組裝APTS表面修飾的四氧化三鐵納米粒子。我們在垂直于基片的方向施加外場,與靜磁場效果不同的是交變磁場在垂直方向

3、也能夠誘導(dǎo)納米顆粒形成一維結(jié)構(gòu),不過這種一維結(jié)構(gòu)是纖維狀的。進(jìn)一步的,我們發(fā)現(xiàn)這種組裝只對靜電穩(wěn)定的納米顆粒有效,對于位阻穩(wěn)定的納米顆粒沒有效果。具有不同ζ電位的膠體顆粒組裝結(jié)果標(biāo)明,這種纖維狀的組裝于顆粒的表面電荷有一定關(guān)系。由此我們推斷了一個可能的機(jī)理,這種組裝需要經(jīng)過兩個階段,一是雙電層被破壞形成小團(tuán)簇；二是偶極矩間的相互吸引作用形成一維結(jié)構(gòu)。 三、進(jìn)一步地,我們將交變磁場誘導(dǎo)的組裝擴(kuò)展到膠體金這種非磁性的納米顆粒上去。在

4、交變磁場作用下,金納米顆粒不是在基片上形成三維聚集狀的結(jié)構(gòu),而是形成了分散的顆粒單層,并且隨著場強(qiáng)的增加,分散性得到增強(qiáng)。但是在場強(qiáng)過大的情況下,膠體金顆粒又會發(fā)生聚集。電鏡觀察的結(jié)果也得到紫外光譜的證實(shí)。我們用電致濕潤現(xiàn)象引起的顆粒間毛細(xì)力的變化解釋了這個現(xiàn)象。交變磁場感應(yīng)產(chǎn)生的電場在其中發(fā)揮了重要的作用。 四、基于第三章的結(jié)果,我們認(rèn)為當(dāng)前的磁性納米顆粒應(yīng)用中經(jīng)常會碰到外場誘導(dǎo)產(chǎn)生的聚集問題,這會干擾傳感器的正常工作狀態(tài),影

5、響檢測結(jié)果的可靠性。為了解決這個問題,我們提出了用蛋白質(zhì)大分子阻止外場誘導(dǎo)產(chǎn)生各向異性聚集的想法。簡單的在磁流體樣品中加入BSA蛋白質(zhì)溶液,既可阻止交變磁場誘導(dǎo)產(chǎn)生纖維狀的聚集。紅外光譜和圖像觀察表明并不是所有情況都有蛋白質(zhì)分子吸附在顆粒表面。但是,即使在顆粒表面沒有蛋白質(zhì)分子吸附的條件下,蛋白質(zhì)分子的存在仍然阻止了一部分磁性顆粒在外場下的聚集。 五、將電磁場誘導(dǎo)的納米材料組裝擴(kuò)展到生物領(lǐng)域,利用結(jié)合了靜磁場和交變電場的發(fā)生裝置

6、組裝了辣根過氧化酶分子。盡管酶分子非常小,超過了理論上雙電泳力作用的極限,但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)仍然有一維的蛋白質(zhì)線形成,并且,相對于沒有外加場的狀態(tài)下產(chǎn)生的大量酶的堆積,酶分子在外場作用下是以單分子層的形式組裝的。這其中靜磁場也是有一定作用的,因?yàn)槿绻趥?cè)向再加一個靜磁場的話,就沒有這樣的線產(chǎn)生；而如果撤掉靜磁場,則形成的一維結(jié)構(gòu)也與既有靜磁場又有交變電場時不一樣。我們認(rèn)為電磁場能對這么小的蛋白質(zhì)分子起作用,是因?yàn)殡S著溶劑蒸發(fā),蛋白質(zhì)分子形成了