【申请】化工、纳米材料高端申请大解析

2015-02-09 智慧先生 格瑞北美留学咨询

关于纳米材料，我接触了很长一段时间，就把我这些年的收获写在这里，留个纪念。很多纳米材料的发展，在我看来，都是沿着相同的路子。首先发现一个形貌很丑的纳米粒子，它有奇特作用，之后兵分两路，一路做可控合成，一路进一步开发它的作用，做应用。

应用上，一部分会做纳米器件，另一部分是做纳米信息储存。做纳米器件会需要各个组分的制备，最终也会有应用，所以也不容易进行精确的分类。也许有人印象中纳米材料都是些无机的，或者有些合成高分子加入其中，其实进行纳米器件组装的时候，也可以利用一些小分子间相互作用作为粘接剂，甚至DNA也可以加入其中，DNA也算是合成高分子吧，不同人不同看法，也算生物材料。对于纳米信息储存，就是纳米材料在不同环境中产生相应变化，通过技术手段可以探知这种变化，进而将微环境的信息反映出来，可以作信息储存，特定标记，也可以进行检测。

合成上，对于最初纳米粒子在合成上进行优化，通过调节各种参数，如原料，温度，合成方法，来调节纳米粒子的形貌，最理想的情况是想它长成什么样，它就长成什么样，也就是可控合成了。另一部分会做复合材料，做核壳结构，使一种纳米材料具有多种功能。核壳结构曾经帮助量子点实现了一次复兴，通过在有毒的量子点外面包一层透明的无害的壳，使它急性毒性大大降低，而且增加了很多优点【Crystal Structure Control of Zinc-Blende CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals: Synthesis and Structure-Dependent Optical Properties】。

纳米材料是以材料为主的，至于先有合成还是先有应用这种鸡蛋问题，不解释。主流纳米材料翻翻纳米杂志的目录就知道了，我接触比较多的是：Quantum Dots, Upconversion(以稀土掺杂为主), Nanometal(Au,Ag,Pt,Pd,alloy), Nano Oxide (TiO2,Fe3O4,SiO2,Rare earth oxide, etc.), Carbon，Nano Composite。

这些故事都是人为的，所以会经常提到一些大牛的名字供膜拜和骚扰。没提到的，是因为我知识圈子有限，并不是他们不牛。Rice的纳米就很猛，AM出专刊介绍他们的工作，一期全是他们学校的文章。

材料

Quantum Dots

曾几何时，纳米领域最火的是量子点，当然至今仍然很火，只是多了些生物安全上的顾虑。

量子点应该是在Science上同一期，一前一后讲合成讲应用，从此一发不可收拾吧。UC Berkeley的Alivisatos是量子点合成的大牛，GIT的Shumin Nie是量子点生物检测的大牛。这是要知道的，从此顶级纳米杂志上活跃的很多都是它们的徒子徒孙了。【传闻】Nano Lett是靠人脉发的，Acs Nano会好些，更看重成果……作为发光材料的量子点比原来的有机染料有很多优点，光稳定性好，发射峰可控，同一光源激发，不同纳米材料可发出多种光。但由于激发需要紫外光，且穿透深度低，在临床应用上前进很慢。上转换发光材料异军突起，以其独特的980nm激发，801nm发射，穿透深度达到2-6mm。【High Contrast in Vitro and in Vivo Photoluminescence Bioimaging Using Near Infrared to Near Infrared Up-Conversion in Tm3+ and Yb3+ Doped Fluoride Nanophosphors】反正是耳朵微血管的成像已经没问题了。【Upconverting luminescent nanomaterials: application to in vivo bioimaging

萝卜青菜各有所爱，虽然如今有机染料也在进步，量子点也在进步，很多生科的人还是喜欢荧光蛋白，还是觉得GFP的后代比较靠谱，纳米材料的真正应用还有一段路要走。迫于上转换材料在近红外光区的优势，量子点的人继续探索，终于开发出了Ag2S量子点，可以实现近红外光区的吸收和发射，大出恶气，但优势并不明显，双方仍然各做各的。苏州纳米所很专业的，就是做纳米的，Qiangbin Wang依托Stanford大神Hongjie Dai做了些硫化物量子点的工作，也做了Ag2S。Daiwen Pang是纳米973两期首席，在国内纳米界的影响力就不用说了。标记染料近些年比较热的一个领域是单分子探针，用很高级的仪器对单分子的变化进行监视，甚至可以观察蛋白的折叠，这算到生物物理学里面，很需要数学和物理背景，不懂。Princeton的Haw Yang就在这个领域做了不少工作。

碳量子点以不明觉厉的身份出现了，把它放在Carbon里讲，理论上它是很好的荧光淬灭剂，入射光会弛豫而不会发射出来，可它就是会发射光出来。

Upconversion

上转换和双光子，从原理和材料都是不一样的。上转换用的是稀土离子存在的实能级，一次光激发到实能级，再一次激发到更高能级，再发出光。因为第一个实能级的寿命恰好适合简单的连续光激光器激发，进一步跃迁到更高能级。双光子是虚能级，需要脉冲激光器在非常短时间内激发，通常是有机物。上转换发光材料需要一个基质把稀土离子掺杂进去，通常采用氟化物，因为氟化物比氧化物发光效率高。稀土上转换发光要先看Dieke图。最早报道纳米氟化物上转换现象的据说是北大的Chunhua Yan，但国外的课题组后来居上，德国U Osnabruck的Markus Haase，NUS的Xiaogang Liu, Yong Zhang,加拿大U Victoria 的Frank van Veggel，美国SUNY-Bufflo的Paras Prasad。其实这些人的名字在上转换领域太常见了，找篇Review，直接看引用部分，谁名字出现的多，谁就是No.1。其实大家一开始做的纳米材料都挺丑的，后来做多了就好了。一开始就几种颜色光，后来就什么颜色都有了。复旦的Fuyou Li原来是做有机络合物的，后来开始做上转换，还被ACS请到年会上做报告，应该算是国内上转换领域的引领者了。浙大Sailing He是光学千人，复旦的Dongyuan Zhao,清华的Yadong Li都会做一些相关的课题。

上转换材料用的最多的是以NaYF4为基质，Yb为敏化剂，Er,Tm为激发剂。六方相的NaYF4比四方相发光效率高一个数量级，但难以合成。对于上转换材料，发展过程和量子点相似，通过奇奇怪怪的方法先合成出很丑的纳米，然后筛条件得到长得好看的。个人感觉上转换的一个里程碑是Xiaogang Liu在Nature上【Simultaneous phase and size control of upconversion nanocrystals through lanthanide doping】说掺Gd后，使NaYF4的合成更加可控。科技改变命运啊，只要你掺一定Gd进去，就可以省去摸索很多合成条件，简便获得六方相NaYF4。对于稀土掺杂，人们基本把稀土元素掺了一遍，各有特点，有的元素还有量子切割效应，如Pr。也有人反其道而行之，把NaYF4中的Y换成其他稀土元素作为基质，NaScF4, NaLuF4都有了（稀土的第一个和最后一个），谁让稀土元素价态单一，基本都正三价。

Nanometal

做纳米金属的，有的为了提高其催化效率，有的就是做它的可控合成。【Shape-Controlled Synthesis of Metal Nanocrystals: Simple Chemistry Meets Complex Physics？】

插手纳米金这一领域的大牛太多了。首先，合成纳米金通常采用酸性还原和碱性还原。酸性还原条件下，可用柠檬酸根作为还原剂，往往需要较高温度【Size Control of Gold Nanocrystals in Citrate Reduction: The Third Role of Citrate】这是Xiaogang Peng的文章，反正看了这么多关于可控合成的，我就觉得他讲出来的东西靠谱；碱性在室温即可进行，就用氯金酸和氢氧化物。西北大学的Mirkin, Chad【Defining Rules for the Shape Evolution of Gold Nanoparticles】，UIUC的Yi Lu【Discovery of the DNA “Genetic Code” for Abiological Gold Nanoparticle Morphologies】因为不同碱基序列对会吸附在不同晶面上，从而控制纳米金的生长；UIUC的Catherine Murphy也是做纳米金的，因为纳米金有很高的消光系数，所以可用于光热治疗，其SPR表面等离子体共振可用于生物检测，也可用于发光增强和催化增强；从WUSTL跳槽到GIT-Emory联合中心的Younan Xia也是一大牛，看他的个人主页就知道他有多霸气，追祖师爷到几十代之前了……他竟然把空心的纳米金做出来了，还是方块，就像个Nanocage，Au做完，又把Ag的Nanocage也做了。U Penn的Christopher Murray【Improved Size-Tunable Synthesis of Monodisperse Gold Nanorods through the Use of Aromatic Additives】，他也做些器件。U Florida的Weihong Tang也做很多纳米金属，主要是与Aptamer相关的，虽然引到国内的千人，但UF那边发文章仍然很猛。港中文物理系的Jianfang Wang做纳米金也很专业，已经开始卖了……还有做纳米金盘的，也有光热效应，医学院的也有不少在做，多数是合作，朝合作课题组要来做好的纳米金盘，再做生物应用。还有做金团簇的，几十个金原子的聚集体。纳米金的形状太多了，需要用的时候现查就行。

说起纳米金来，想起一个郁闷的事情，上海生物物理所的Chunhai Fan把纳米金喂给果蝇，然后它们寿命延长了……

UCSD的David Schultz发现纳米银可在光学显微镜下直接观察到，只是这个现象没有被捧起来，文章在PNAS上【Single-target molecule detection with nonbleaching multicolor optical immunolabels】。一不小心做个纳米萝卜出来（一头粗一头细的纳米棒），也可以发文章【Asymmetric Silver “Nanocarrot” Structures: Solution Synthesis and Their Asymmetric Plasmonic Resonances】当然，光学性质会有很大变化，常人做个这产品出来，恨不得毁尸灭迹，加拿大Université du Québec的Dongling Ma就可以找出这种产品的亮点，Find a way out.

Younan Xia也做Nano Pd【Quantitative Analysis of the Coverage Density of Br? Ions on Pd{100} Facets and Its Role in Controlling the Shape of Pd Nanocrystals，Shape-Controlled Synthesis of Pd Nanocrystals and Their Catalytic Applications（这是篇Acc Chem Res） 】，估计做通了，做什么都能做出来……

Christopher Murray也做纳米Pt【Heterogeneous Catalysts Need Not Be so “ Heterogeneous”: Monodisperse Pt Nanocrystals by Combining Shape-Controlled Synthesis and Purification by Colloidal Recrystallization】

通过做合金，也可以调控单一金属的催化能力，所以也有人做纳米合金，Lawrence Berkeley国家实验室的Haimei Zheng用先进TEM观察纳晶生长【Liquid Cell Transmission Electron Microscopy Study of Platinum Iron Nanocrystal Growth and Shape Evolution】，一般可控合成都会把时间因素考虑在内，有原位监测的，也反应突然中止（淬灭）再进行观察的。

Nano oxide

纳米氧化物做的人就太多了，因为氧化物就太多了……国内的就不多说了，主要说一些我听说过的国外课题组。

EPFL的Gratzel是染料敏化太阳能电池（DSC）的鼻祖，它用TiO2做基质吸收光，此外它可以用于光降解有机物。UCSB的Stucky也做DSC。

上海生物物理所的Xiyun Yan值得提一个，她做了几个基于纳米Fe3O4的生物应用，发在Nat子刊上【Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles，Magnetoferritin nanoparticles for targeting and visualizing tumour tissues】，一直被模仿，从未被超越……NTU的Hongyu Chen近来发文章很猛，也是做纳米磁性材料的。

UCLA的Andrew Nel主要做环境纳米氧化物，看它们的生物毒性。

UCLA的Jeffrey Zink做介孔氧化硅【Mesoporous Silica Nanoparticle Nanocarriers: Biofunctionality and Biocompatibility】。介孔氧化硅因其性质稳定，且孔道均匀，载药量大，经常用于药物传递和可控释放，合成也相对简单，很容易包在各种纳米材料上，大小厚度都容易控制。Drug delivery的文章灌水无数，不过也有不少精妙的设计。除了介孔氧化硅，通常也会做氧化硅壳，也就是@SiO2，用反相微乳法合成时，做的不好，就做出一堆氧化硅纳米球了，目前没有什么用。但就像白色污染那样，过于稳定的东西总是会出些问题。

做纳米催化剂的，有UC Berkeley的Peidong Yang, 12年在Nat Chem上发了篇LB法制备串联催化剂，是哈佛Charles Lieber的学生，现在Yang都已经拿美国院士了，太牛了。主要做一维纳米材料，如纳米线。港中文的Jianfang Wang和Yang是哈佛的师兄弟，Hongjie Dai也是同门。催化就是把特定物质吸引到特定晶面上，恰好较低势垒，反应就加快了。如果不加快反应，就是在特定晶面上进行吸附，也算有选择性了。

韩国首尔国立大学的Taeghwan Hyeon是韩国纳米领域的大牛了，可以搜一下他在哪些杂志当编委顾问，就知道他有多牛了，反正在JACS编委里有他。

我一直关注的是CeO2，对谁做这个东西查的比较清楚，集中精力做的，有UCF的Sudipta Seal，虽然这学校都一百开外了，但工科很猛，Seal也是AAAS会士，他带动了一堆合作者做这个领域。意大利罗马大学，同时也被日本MANA聘了的Lina Ghibelli做的也不错。国内是国家纳米中心的Zhiyong Zhang和北大的Chunhua Yan，长春应化的Xiaogang Qu。乌克兰Shcherbakov课题组做了非常详尽的工作，只是没有在国际期刊上发表，可惜了，没多少人知道。其实他们喂果蝇更早一些，只是喂的是纳米氧化铈，然后寿命也延长了，估计这是纳米毒理学的一个常见实验。此外，Yan课题组以做稀土材料为主，包括稀土硫化物也做，以Yawen Zhang的工作为主。

Carbon

碳材料主要是C60，石墨烯，碳管，碳量子点，氮掺杂的C。C60曾经非常火，大家都在买了做实验，最近有把金属离子掺进去，还有接点基团做光电转换的。北大的Zhongfan Liu经常在碳材料领域灌水，数不清了，学生我记得覆盖全国……平时看ASAP的时候，和C相关的多半会被扔掉，所以课题组记得不多，找篇Review自己看吧。氮掺杂的C以超神的性质迅速占领各大杂志，成功进入材料领域前十话题，一个新材料一旦出现，人们就会用遍历的方法把所有可能的不可能的性质都筛一遍，然后发文章……曾经有段时间人们说碳管对人体是有害的，所以就没多少人敢做碳管的生物应用了，但突然有人说有害是因为制备过程中掺入了不和谐的东西，纳米金属，重金属之类的，于是大家又开始做了。

ETH的Wendelin Stark年轻有为，眼光独到，年经轻轻就在Angew上发一篇讲纳米材料的Review，他提出纳米材料正是块体材料和有机小分子之间的过渡，比如它的移动性，块体材料在溶液中不同，有机小分子疯狂热运动，而纳米材料就可以有一定程度移动。这样就可以把块体材料的性质带到人体内发挥作用，比如块体上转换古已有之，但没人把它生物应用，一旦变成纳米，就成Biomaterial了。他还提出纳米材料在很多领域优于对应的有机分子，量子点之于有机荧光染料，纳米催化剂之于小分子催化，硅光电之于有机光电，【Nanoparticles in Biological Systems】不是大神不敢这么说，要知道这文章一出去瞬间得罪了多少人……不和谐。当然有机物也有他的好处，你怎么做，它分子式都是一样的，只要能提纯，可无机纳米材料，你怎么做它都有粒径分布，每个之间其实都不一样，重现性相对差些，而且没有机物那么好买。

材料的介绍基本就这些，接下来说说合成和应用。

合成和应用

合成

纳米材料合成的方法很多，热分解，水热，溶胶凝胶，反相微乳，热喷雾，共沉淀法，以及在此基础上组合形成新的方法。粒子生长有Alivisatos曲线，在这过程中基本都会有Ostwald熟化。合成之后需要各种方法进行表征。合成过程中需要控制的条件很多，是多因素平衡后的结果，筛条件合成的时候也很痛苦。如果能把Peng老师的文章读完，那对纳米粒子合成和生长的理解就已经到一定程度了，如果能和大神当面请教问题，后果不堪设想。

合成时，如果在油相中合成出来，表面难免带有疏水基团，如果应用于生物体系，就需要换成亲水基团，俗称转水相。

合成方法中有直接合成，还有先做出晶种再合成。UC Boulder的Mark Stoykovich【Seed-Mediated Growth of Shape-Controlled Wurtzite CdSe Nanocrystals Platelets, Cubes, and Rods】合成纳米金时两种方法都会用到，如果是把纳米金属沉积到催化剂基质上，一般会在碱性条件下。

合成方法中有直接合成，还有先做出晶种再合成。UC Boulder的Mark Stoykovich【Seed-Mediated Growth of Shape-Controlled Wurtzite CdSe Nanocrystals Platelets, Cubes, and Rods】合成纳米金时两种方法都会用到，如果是把纳米金属沉积到催化剂基质上，一般会在碱性条件下。

合成的后期阶段还涉及到分离纯化，比如把纳米粒子和纳米棒分开。Rice的Zubarev, Eugene【Purification of High Aspect Ratio Gold Nanorods: Complete Removal of Platelets】，纯化完之后就好做应用了【Functional Gold Nanorods Synthesis, Self-Assembly,and Sensing Applications】GIT的Mohan Srinivasarao【Shape separation of gold nanorods using centrifugation】美国空军研究所的Richard A. Vaia【Depletion-Induced Shape and Size Selection of Gold Nanoparticles】。在纳米金合成过程中，难免会有纳米棒和纳米球混在一起，就有很多人以此为研究对象，尝试各种方法。说起来分离纯化也是一大方向，只是做的人并不多，文章都不太好找，Review发的也不多，西北大学的Bartosz Grzybowski【Nanoseparations: Strategies for size and/or shape-selective purification of nanoparticles】

不得不说哈佛George Whitesides【Separation of Nanoparticles in Aqueous Multiphase Systems through Centrifugation】，有一个以他命名的研究所。截止2008年3月，怀特塞兹是所有在世化学家中h指数最高的一位。【Wiki的评价】在AM上写文章，题目就是【Writing a Paper】JACS右下角一个视频截图，就是他在讲怎么写文章，现在你应该明白他有多牛了吧。Younan Xia是他的学生。

应用

应用就是器件和检测了。

做器件的时候会用到纳米印刻，Nanolithography，会用各种方法将元件组装起来做成器件，光电转换，纳米机器，场效应晶体管FET等等。GIT的Zhonglin Wang做纳米器件和能量转换。

纳米印记或者纳米编码Nanobarcode就包含了信息储存和检测在里面，就是把微环境中的信息反映出来，反映的方式可以是光学信号，也有声，热，磁，以及借助其他物质进行反映的。

以生物应用为例，会需要特定载体把药物、生物分子如DNA带入体内，通过在材料表面特定修饰，可以使纳米材料有选择的进入特定细胞。发光的纳米材料可以实时成像，提供位置信息，还可以产生光激活小分子，产生单线态氧或释放药物，发光强度还可以包含微环境中特定物质的含量，也就做了检测，不同颜色的光还可用于标记，标记些蛋白，病毒，细胞之类的。通过与不同物质复合，就可以有特定效果，带了磁性，就可以用磁铁牵引到特定位置，或把东西分离出来，甚至在磁极转动下，利用物理方法破坏细胞。还可以磁共振成像。生物应用的终极目标是制作纳米诊所，在同一材料上实现诊断和治疗。

其他的应用也都相近，有做些芯片做检测的，利用荧光信息FRET，有做防伪标记的，有做体外检测的，甚至多通道多种物质同时检测。

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