纳米二氧化硅微球的特性及应用
2020-12-18 17:42:22
材料性能与材料颗粒的大小、形貌密切相关，而材料的光、电、磁学等宏观性能也很大程度的依赖材料的颗粒大小和形状均匀程度。窄粒度分布（近似单分散分布）纳米二氧化硅微球具有分散性好、比表面积巨大、极好的光学性能和化学稳定性等优良性能，已成为现代的研究热点。近年来，新材料和先进制造技术正在迅猛的发展和广泛的应用，精确控制粉末原料的物理化学性能，制备出高纯、球形、粒度分布窄、活性高且分布均匀的材料是众多科研工追求的目标。由于单分散体系的颗粒均一且表面性质相同，赋予其很多独特的性质和越来越广泛的应用。
纳米二氧化硅微球的应用：
单分散球形SiO2是无定型白色粉末,是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。球形, 呈絮状和网状的准颗粒结构，具有对抗紫外线的光学性能。目前,人们已经可以在一定规模上制备出纳米级的单分散球形二氧化硅（又称SiO2胶体球）,并且已在陶瓷制品、橡胶改性、塑料、涂料、生物细胞分离和医学工程、防晒剂、颜料等方面获得广泛的应用。
信息量的爆炸式增长要求电子器件向小型化、高度集成化的方向发展。但是，以电子技术为核心的半导体技术的研究却难以满足现实的要求。众所周知，光子的速度比电子的要快，因此，人们开始把希望的目光投向光子,提出了用光子代替电子作为信息载体的设想。贝尔中心实验室和普林斯顿大学的实验室各自提出了光子晶体的概念。此后,光子晶体被认为是未来的半导体。SiO2胶体球有易于制备和粒径大小可控的特点,成为目前应用最广泛的制备光子晶体的材料。该晶体是制作许多功能材料和器件，如各种传感器、过滤器、开关的潜在材料。但是,SiO2胶体球表面能高,处于热力学非稳定状态,极易聚集成团，同时二氧化硅表面亲水疏油,在有机介质中难于均匀分散,从而很难组装形成完整有序光子晶体结构。需要对其进行表面改性，来解决纳米二氧化硅的分散性和与有机基体的相容性问题。如何降低SiO2胶体球的表面能和提高微球之间的静电排斥作用成为研究的重点。
其他方面的应用： 1、可制备SiO2胶体探针，应用在表面力测定中。 2、中空介孔的 SiO2胶体球具有很高的比表面积和空容，可以作为封装时的干燥剂使用。 3、由于SiO2胶体球高化学稳定性和生物相容性，也可用于催化剂载体和药物载体。 4、SiO2胶体球引入荧光染料，可制得荧光微球，在生物医学成像和免疫测定中有广泛应用。
纳米级的单分散球形二氧化硅的制备：
1、重力场沉降法 重力场沉降法是目前最简单的一种组装方法。这种方法是模拟自然条件下Opal的形成过程,因此又称自然组装过程。随着胶体小球的沉降,容器底部胶体小球的浓度逐渐增加,当胶体球的体积分数达到一定范围(约74%)并处于热力学上平衡态时会自发完成无序相到有序相的转变,这一过程看似简单,实际上仍需考虑包括了胶体球的沉淀、布朗运动、晶相的成核与长大等一系列复杂因素。由于重力沉降时间较长,无法精确控制沉降层数,产物通常是多晶结构,包含fcc、bcc、rhcp甚至无序堆积,其单晶区域一般也很小,并且得到的样品通常十分脆弱,需要额外处理增加其机械强度。因此科学家也曾尝试利用其它力场如离心场、电场、磁场来实现胶体晶体自组装。
2、垂直沉积法 为了解决重力沉降法制备的胶体晶体有序尺寸小、结构呈多晶相的问题,采用垂直沉积法制备胶体SiO2光子晶体。垂直沉降法是自组装胶体晶体较成熟的方法,优点是组装膜的质量较好,费用低。将基片垂直浸入含有单分散微球的胶体溶液中,当溶剂蒸发时,液体表面慢慢降落,微球在毛细压力作用下,在基片表面自组装为周期排列结构,形成胶体晶体,此即垂直沉淀法。利用垂直沉积法将不同直径以及同一直径不同浓度的SiO2,胶体微球分别进行自组装,可制得多种胶体光子晶体薄膜。
目前，单分散二氧化硅微球的制备方法趋于成熟，但是，更环保、更安全、更节约的制备方案还有待我们探索。人们为获得更大体积和更少缺陷的胶体晶体三维有序结构，正在不断地开发着更新、更便捷的方法。但是存在于这些方法间的组装机理却是人们至今尚未完全认识和了解的，需要做的基础研究项目还有很多。
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