[科普中国]-模板法制备纳米材料

国内外采用的制备纳米复合材料的方法主要有:溶胶凝胶法、原位聚合法、共混法和模板法等。模板合成法就是将具有纳米结构、形状容易控制、价廉易得的物质作为模板，通过物理或化学的方法将相关材料沉积到模板的孔中或表面而后移去模板，得到具有模板规范形貌与尺寸的纳米材料的过程。模板法是合成纳米复合材料的一种重要方法，也是纳米材料研究中应用最广泛的方法，特别是制备性能特异的纳米材料，模板法可以根据合成材料的性能要求以及形貌来设计模板的材料和结构，来满足实际的需要。

特点模板法作为一种制备纳米材料的有效方法，其主要特点是模板法不管是在液相中或是气相中发生的化学反应，其反应都是在有效控制的区域内进行的，这就是模板法与普通方法的主要区别。模板法合成纳米材料与直接合成相比具有诸多优点，主要表现为:

①以模板为载体精确控制纳米材料的尺寸和形状、结构和性质;

②实现纳米材料合成与组装一体化，同时可以解决纳米材料的分散稳定性问题;

③合成过程相对简单，很多方法适合批量生产。

模板法通常用来制备特殊形貌的纳米材料，如纳米线、纳米带、纳米丝、纳米管与片状纳米材料等。可采用模板法制备的纳米材料种类有很多，但最常用模板制备的纳米材料主要是II -VI族、III- V族纳米材料与部分氧化物纳米材料。

模板法根据其模板白身的特点和限域能力的不同又可分为软模板和硬模板两种。二者的共性是都能提供一个有限大小的反应空问，区别在于前者提供的是处于动态平衡的空腔，物质可以透过腔壁扩散进出;而后者提供的是静态的孔道，物质只能从开口处进入孔道内部。

分类模板法根据其模板的组成及特性的不同又可分为软模板和硬模板两种。两者的相同之处是都能提供一个有限大小的反应空间，区别在于前者提供的是处于动态平衡的空腔，物质可以透过腔壁扩散进出;而后者提供的是静态的孔道，物质只能从开口处进入孔道内部。1

软模板软模板常常是由表面活性剂分子聚集而成的。主要包括两亲分子形成的各种有序聚合物，如液晶、囊泡、胶团、微乳液、自组装膜以及生物分子和高分子的自组织结构等。分子间或分子内的弱相互作用是维系模板的作用力，从而形成不同空间结构特征的聚集体。这种聚集体具有明显的结构界面，无机物正是通过这种特有的结构界面而呈现特定的趋向分布，进而获得模板所具有的特异结构的纳米材料。软模板在制备纳米材料时的主要特点有:

(1)软模板一个显著的特点是在模拟生物矿化方面有绝对的优势;

(2)软模板的形态具有多样性;

(3)软模板一般都很容易构筑，不需要复杂的设备。

但是相比硬模板，软模板结构的稳定性较差，因此通常模板效率不够高。

硬模板硬模板主要是通过共价键维系的刚性模板，如具有不同空间结构的高分子聚合物、阳极氧化铝膜、多孔硅、金属模板、天然高分子材料、分子筛、胶态晶体、碳纳米管等。与软模板相比，硬模板具有较高的稳定性和良好的窄间限域作用，能严格地控制纳米材料的大小和形貌。但硬模板结构比较单一，因此用硬模板制备的纳米材料的形貌通常变化也较少。

软模板法制备纳米材料生物分子模板法制备纳米材料利用DNA分子作模板制备纳米材料

DNA分子是生物体系中遗传信息的携代者，近年来人们开始意识到利用DNA分子为模板构建具有特定结构和形状的无机纳米粒子的可行性和应用价值。通过对DNA中碱基对的裁剪可以人为设计和精确控制DNA分子的长短。DNA分子直径较小，分子识别能力和自组装能力很强，是很好的生物模板。而各种大量的具有特定长度和特定序列的DNA可以在合成器中自动生成。这些进展为利用DNA精确控制纳米材料合成提供了前提条件。

利用蛋白质等分子作模板制备纳米材料

蛋白质也是一种性能良好的生物模板，整个生物界中己知存在的蛋白质总数逾百万种。蛋白质是由若干个氨基酸通过肤键连成的长链生物大分子。生物体内几乎一切最基本的生物活动都与蛋白质有关。蛋白质含有丰富的经基、氨基、磷酸根等功能基团，具有很强的识别作用和良好的骨架结构。

利用微生物作模板制备无机纳米材料

以具有特定结构的生物组织作为模板，利用生物自组装及其空问限域效应，通过生物体的生理特性，可以设计和合成出具有不同形貌及结构的无机功能纳米材料。微生物细胞具有各种各样的几何外形，如球状、丝状、螺旋状、玉米状、刺猾状等。用现有的任何加工手段都很难加工出如此精致的三维图形，它们为纳米材料的合成提供了丰富的模板。

利用矿物骨架作模板制备无机纳米材料

一些矿物组织中的天然结构可直接用作模板，如乌贼骨去矿化后的有机骨架结构，鸡蛋壳膜的有机网络结构等。

利用植物体作模板制备无机纳米材料

利用植物体制备无机纳米材料的主要原理就是利用植物细胞壁作为无机成核和界面分了识别的模板，诱导纳米颗粒的自组装，连续的细胞壁网络空间又近一步诱导无机纳米材料有序牛长。利用植物体模板控制合成无机纳米材料具有廉价、丰富、易得、环境友好等特点，反应温和，反应过程加入的化学试剂和产生的有毒副产物少，符合绿色合成的要求，并且生成的无机纳米颗粒附着在植物体上不易发生团聚等，因而是一个极具潜力的发展方向。

PAM软模板法制备纳米材料聚丙烯酞胺（PAM）是一种种类繁多、特征各异的有机高分了聚合物。它是由丙烯酞胺单体在引发剂作用下均聚或共聚所得聚合物的统称，为线状水溶性高分了聚合物。外观为白色粉末状或无色x稠胶体状，无臭、中性、溶于水，儿乎不溶于有机溶剂，温度超过120℃时易分解。丙烯酞胺的分了中具有阳性基团（-），能与分散于溶液中的悬浮粒了吸附和架桥，有絮凝作用。由于它独特的理化特性被广泛地应用于多种工业行业网。

仿生支撑液膜法制备纳米材料支撑液膜（SLM）是一类含载体的有机溶液附着在多孔惰性的的聚合膜空隙内而形成的人造液膜。它从化学模拟生物矿化的角度出发，进行选择性传输、定向结合阴离子、控制结晶位点、简单控制纳米粒子自组装形成纳米球链。反应体系相对稳定，产物处理简捷，易于工业化。这种新的仿生方法对纳米材料与器件的组装制备以及生物矿化的研究具有一定的价值。

微乳液法制备纳米材料微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相，这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而可形纳米级颗粒，同时这样又可以避免颗粒之问的团聚。微乳液法实验装置简单，能耗低，操作容易;所得纳米粒子粒径分布窄，且单分散性、界面性和稳定性好;与其它方法相比具有粒径易于控制、适应面广等优点。

硬模板法制备纳米材料阳极氧化铝模板法制备纳米材料早在1932年，人们就已认识到多孔阳极氧化铝膜（AAO）是由外部厚的多孔层及邻近铝基底的紧密的阻挡层构成。阳极氧化膜的研究很早就引起了科研工作者的兴趣，其最早的工作又可追溯到1953年美国铝制备公司研究室的F. Keller等的工作。进入20世纪90年代，随着自组装纳米结构体系研究的兴起，这种带有高度有序的纳米级阵列孔道的纳米材料受到人们的重视。人们将AAO作为模板来制备纳米材料和纳米阵列复合结构，并在磁记录、电了学、光学器件以及传感器等方面取得良好的研究成果。

二氧化硅模板法制备纳米材料分子筛MCM-41二氧化硅和通过溶胶一凝胶过程形成的二氧化硅都可用作纳米结构材料形成的模板，其中MCM-41为介孔氧化硅模板，它具有纳米尺寸的均匀孔，孔内可形成有序排布的纳米材料，属于外模板，而溶胶一凝胶法形成的二氧化硅胶粒则属于内模板，在其上形成纳米结构材料，最后二氧化硅用氧氟酸溶解除去。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学