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This title reviews the most interesting materials on the market concerning self-ordering, including macroporous silicon, porous alumina, MCM41 and photonic band gap.
纳米尺度多孔材料的结构、合成与前沿应用 图书简介 本书聚焦于一类具有高度结构化、周期性或准周期性孔隙排列特征的先进材料——有序多孔纳米结构。不同于随机多孔材料，这类材料的孔隙尺寸、形状和排列方式可以在纳米尺度上被精确调控，从而赋予材料独特且可预测的物理、化学和功能特性。本书旨在系统、深入地阐述这类材料从基础理论到尖端应用的完整知识体系，为材料科学家、化学工程师、物理学家以及从事相关技术开发的研究人员提供一本全面、权威的参考读物。 全书结构严谨，内容涵盖了从基本概念的界定到复杂材料体系的精密构筑，再到多领域实际应用的全过程。 第一部分：基础理论与结构表征 本部分奠定了理解有序多孔纳米结构的基础。首先，详细介绍了多孔材料的分类、孔隙结构参数（如孔隙率、比表面积、孔径分布）的定义与量化方法。随后，重点阐述了周期性多孔结构的晶体学基础，包括二维（如准晶结构、蜂窝状结构）和三维（如类金刚石结构、光子晶体结构）的拓扑学描述。 在结构表征方面，本书详细介绍了用于解析纳米尺度孔隙结构的先进技术。除了传统的BET比表面积分析和氮气吸附/脱附等温线分析外，重点讨论了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）在孔隙形貌观察中的应用，以及X射线衍射（XRD）和同步辐射散射技术在确定周期性结构周期长度和取向上的关键作用。特别是，对聚焦离子束（FIB）结合SEM进行三维层析成像（Tomography）以重建复杂孔隙网络的最新进展进行了深入剖析。 第二部分：有序多孔纳米结构的合成策略 这是本书的核心部分之一，系统梳理了构建具有精确孔隙几何形状和排列的多种关键合成方法。 模板法： 详细讨论了软模板法和硬模板法。软模板法集中于利用表面活性剂、嵌段共聚物或液晶相作为自组装结构导向剂，通过溶胶-凝胶过程或沉淀反应形成有序结构，随后去除模板剂。本书对不同类型的介孔二氧化硅（如MCM系列、KIT系列）的结构演化机制进行了详细的机理分析。硬模板法则侧重于利用预先制备的周期性结构（如胶体晶体、光子晶体）作为骨架，通过浸渍、渗透、化学气相沉积（CVD）等技术，将目标材料沉积到模板孔隙中，最后刻蚀模板。 自下而上组装技术： 深入探讨了基于分子间相互作用驱动的自组装过程。这包括利用DNA折纸术（DNA Origami）和肽自组装来构建高度精确的生物相容性纳米结构阵列。此外，对利用光诱导聚合或电化学氧化技术在特定基底上直接生长出垂直排列的纳米孔阵列的方法（如阳极氧化铝膜的形成机理）也进行了详尽的论述。 自上而下刻蚀与图案化： 针对需要高精度平面结构控制的场合，本书详细介绍了电子束光刻（EBL）、纳米压印光刻（NIL）以及激光直写技术在制造二维有序孔阵列中的应用与局限性。特别强调了反应离子刻蚀（RIE）和深反应离子刻蚀（DRIE）在保持纳米结构垂直度和孔隙保真度方面的优化参数。 第三部分：功能化与性能调控 有序孔结构一旦形成，其功能性可通过材料本身的化学性质和孔隙结构参数进行双重调控。 材料选择与化学修饰： 涵盖了从无机材料（如氧化物、半导体、金属）到有机材料（如聚合物、碳材料）的广泛选择。重点讨论了通过表面官能团化（如硅烷化、配体交换）来调节孔道表面的亲疏水性、催化活性位点密度或生物分子吸附能力。例如，如何精确调控介孔材料的表面羟基浓度以优化其对特定重金属离子的螯合效率。 光学与电学响应： 阐述了当孔隙尺寸与光波长或电子的德布罗意波长接近时所产生的光子晶体效应和量子限制效应。详细分析了如何通过改变孔隙的周期性来调控材料的带隙结构，实现特定波段光线的反射、透射或禁带调控。在电学方面，讨论了孔隙结构对电荷传输路径、离子迁移率和电化学反应界面积的影响。 第四部分：前沿应用领域 本书最后一部分聚焦于这些高度工程化材料在关键技术领域的最新突破。 催化与环境工程： 介绍了有序多孔材料作为高效非均相催化剂载体的优势，如纳米级活性位点的均匀分布、优化的传质/传热性能。实例包括用于选择性氧化反应的周期性结构支撑的金属纳米粒子催化剂。在环境治理方面，探讨了利用这些材料进行选择性气体吸附（如CO2捕集）和高效污染物降解的应用。 生物医学工程： 深入探讨了有序介孔生物材料在药物缓释、基因递送和生物传感中的应用。重点分析了如何通过精确控制孔径来调节药物分子的载药量和释放动力学（零级或拟一级释放）。此外，还讨论了利用有序孔结构构建生物相容性支架以引导细胞生长和组织再生的潜力。 能量存储与转换： 阐述了在锂离子电池、超级电容器和燃料电池中的应用。例如，利用垂直排列的纳米孔电极可以显著缩短离子在电解质中的扩散路径，从而提高倍率性能。在光电转换领域，探讨了有序多孔半导体结构在提高光吸收效率和分离电子-空穴对方面的独特优势。 信息存储与光学器件： 讨论了基于光子晶体原理的集成光学器件，如超小型光滤波器、波导和光开关。在信息存储方面，研究了利用高密度、规则排列的纳米孔阵列作为磁性记录介质的潜力。 本书以其详尽的理论阐述、丰富的实验案例和对未来技术趋势的敏锐洞察，为读者提供了一个理解和驾驭下一代功能性纳米材料的坚实平台。
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