20卷6期 结构化学( JIEGOU HUAXUE) Vol 20. No6 2001.11 hinese Struct. Chem 425~438 [综合评述] 纳米材料的概述、制备及其结构表征 蔡元霸梁玉仓 (结构化学国家重点实验室,中国科学院福建物质结构研究所,福州350002) 纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起 人们的高度重视。本文从以下3个方面加以论述。 纳米材料的概述:从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、 分子操作与分子器件的构筑,并通过具体的例证加以阐述,包括在STM操作下单分子 反应;有机小分子在半导体表面的自指导生长;多肽-半导体表面特异性选择结合;生 物分子/无机纳米组装体;光驱动多组分三维结构组装体;DNA分子机器 纳米材料的若干制备方法和结构表征方法:制备方法包括:物理的蒸发冷凝 法,分子束外延法(MBE),机械球磨法,扫描探针显微镜法(SPM)。化学的气相: 淀法(VCD),液相沉淀法,溶胶-凝胶法(Sol-gel),L-B膜法,自组装单分子层和 表面图案化法,水热/溶剂热法,喷雾热解法,样板合成法或化学环境限制法及自组装 法 若干结构表征方法包括:Ⅹ-射线法(XRD),扩展Ⅹ射线精细结构吸收谱 EXAFS),Ⅹ射线光电子能谱〔XPS),光谱法,扫描隧道显微镜/原子力显微镜 (STM/AFM)和有机质谱法(OMS) 关键词:纳米制备,自组装,结构表征,纳米器件 1纳米材料概述 设计》和《超分子化学范围和展望—一分子、 超分子和分子器件》为题,论述了他们在超分 子化学研究领域所取得成就和展望。1990年 所谓纳米材料,指的是具有纳米量级Lchn又发表了《超分子化学展望——从分 (1-100m)的晶态或非晶态超微粒构成的子识别走向分子信息处理和自组织作用》。他 固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应们指出生物体内反应、输运和调节的第一步就 是德国科学家Ger等于1984年首用惰性是分子识别。它定义为底物被给定受体选择并 气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒,并以它结合而形成超分子结构的过程。这是主客体 作为结构单元制成纳米块体材料。由于纳米材分子之间有选择、有目标的结合;是结构明确 料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性的分子间相互作用模式。这种结合还要求受体 能—一表面效应、体积效应、量子尺寸效应和分子与所要键合的底物分子在立体空间结构和 宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶电荷特征上的互补性以及为了适合其功能上要 瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起求所必须遵循的刚性和柔性平衡原则。因为受 人们的高度重视2。 体结构稳定性需要刚性分子结构,但识别过程 1988年美国科学家Cam和法国科学中的变换、调控、协同及变构则需要一定的柔 家Lchn在诺贝尔领奖会上发表了演说,他性。这对生物体系尤为重要。从分子识别引导 们分别以《分子的主体·客体和它们复合物的 2001-03-14收到:2001-10-16接受 ①通讯联系人20 卷 6 期 结 构 化 学 （JIEGOU HUAXUE） Vol.20, No.6 2001.11 Chinese J. Struct. Chem. 425~438 [综合评述] 纳米材料的概述、制备及其结构表征 蔡元霸① 梁玉仓 （结构化学国家重点实验室，中国科学院福建物质结构研究所, 福州 350002） 纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起 人们的高度重视。本文从以下 3 个方面加以论述。 一、纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、 分子操作与分子器件的构筑，并通过具体的例证加以阐述，包括在 STM 操作下单分子 反应；有机小分子在半导体表面的自指导生长；多肽-半导体表面特异性选择结合；生 物分子/无机纳米组装体；光驱动多组分三维结构组装体；DNA 分子机器。 二、纳米材料的若干制备方法和结构表征方法：制备方法包括：物理的蒸发冷凝 法，分子束外延法（MBE），机械球磨法，扫描探针显微镜法（SPM）。化学的气相沉 淀法（VCD），液相沉淀法，溶胶-凝胶法（Sol-gel），L-B 膜法，自组装单分子层和 表面图案化法，水热/溶剂热法，喷雾热解法，样板合成法或化学环境限制法及自组装 法。 三、若干结构表征方法包括：X-射线法（XRD），扩展 X 射线精细结构吸收谱 （EXAFS），X-射线光电子能谱（XPS），光谱法，扫描隧道显微镜/原子力显微镜 （STM/AFM）和有机质谱法（OMS）。 关键词：纳米制备，自组装，结构表征， 纳米器件 2001-03-14 收到； 2001-10-16 接受 ①通讯联系人 1 纳米材料概述: 所谓纳米材料，指的是具有纳米量级 （1~100 nm）的晶态或非晶态超微粒构成的 固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应 是德国科学家Gleiter等[1] 于 1984 年首用惰性 气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒，并以它 作为结构单元制成纳米块体材料。由于纳米材 料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性 能——表面效应、体积效应、量子尺寸效应和 宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶 瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起 人们的高度重 视[2]。 1988 年美国科学家 Cram [3] 和法国科学 家 Lehn [4] 在诺贝尔领奖会上发表了演说，他 们分别以《分子的主体·客体和它们复合物的 设计》和《超分子化学范围和展望——分子、 超分子和分子器件》为题，论述了他们在超分 子化学研究领域所取得成就和展望。1990 年 Lehn [5] 又发表了《超分子化学展望——从分 子识别走向分子信息处理和自组织作用》。他 们指出生物体内反应、输运和调节的第一步就 是分子识别。它定义为底物被给定受体选择并 结合而形成超分子结构的过程。这是主/客体 分子之间有选择、有目标的结合；是结构明确 的分子间相互作用模式。这种结合还要求受体 分子与所要键合的底物分子在立体空间结构和 电荷特征上的互补性以及为了适合其功能上要 求所必须遵循的刚性和柔性平衡原则。因为受 体结构稳定性需要刚性分子结构，但识别过程 中的变换、调控、协同及变构则需要一定的柔 性。这对生物体系尤为重要。从分子识别引导