纳米级光滑石墨表面的拉曼光谱表征

石墨微结构的表面一般为原子级光滑或纳米级光滑,是研究表面、界面物理性质的重要基础,对结构超润滑、微机电器件的研究和应用非常重要。为了解石墨微结构表面的状态和性质,其无损表征具有重要意义。通过微加工方法制备出石墨微结构,使用微纳机械手上的针尖推动石墨微结构上部可以得到原子级光滑或纳米级光滑的石墨表面。使用拉曼光谱对获得的石墨表面进行表征。通过与原子力显微镜和电子显微镜的表征结果进行对比发现,拉曼光谱能够准确反映石墨表面的缺陷程度,同时具有非接触、无损和快速的优点。这表明拉曼光谱在纳米级光滑石墨表面的表征中能够提供可靠表征信息,并且检测快速、不破坏样品,为石墨结构超润滑和MEMS器件的后续研究和应用奠定了基础。     

微结构接触界面热阻

微纳米结构的接触热传输是热电转换、超导冷却、集成芯片散热等高技术领域面临并必须着力解决的技术问题,它区别于宏观热传输,具有为尺度依赖效应和多个微观特征量。文中从微结构接触热传输阻力角度出发,探讨了接触热阻及界面热阻区别,阐释了微尺度的特征量,接触界面热阻实验及理论研究方法、实验参数的测量,接触热阻及界面热阻的材料选择。通过接触界面热阻这些方面的研究,为研究接触界面热阻研究提供了较全面的参考。     

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径。本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术。其中应力测量技术的空间分辨率可优于20nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,延续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布。通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性。     

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径.本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术.其中应力测最技术的空间分辨率可优于20 nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,建续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布.通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性.     

红外光谱在纤维质文物材料鉴别中的应用研究

纺织纤维和纸张纤维是常见纤维质文物材料, 是构成博物馆精美文物如服饰手稿书画的基本材料, 近年来寻求通过无损或微损方法对这一类材料的鉴别以及劣化状况评价备受文物鉴赏家和文物保护工作者的关注。借助傅里叶变换红外光谱, 研究博物馆常见纺织纤维材料棉、麻、桑蚕丝、柞蚕丝、羊毛的红外光谱特征和它们的分子结构组成异同, 研究传统纸纤维稻草、麦草、龙须草、龙旗松、桑皮红外光谱特征。结果表明: 衰减全反射傅里叶变换红外光谱无损分析技术可通过比较3 300～2 800 cm-1 CH, NH, OH振动区间光谱形状以及指纹区峰位以区别不同种类纺织品纤维;碳氧振动纸张纤维最明显光谱差异位置出现在与纤维素OH伸缩振动相关波数3 300 cm-1和与C—O—C相关波数1 332, 1 203, 1 050 cm-1。文章探索研究红外光谱技术结合主成分分析法在快速鉴别纤维材料中的应用。通过对全光谱数据多元散射校正(MSC)预处理后进行主成分分析, 可以把红外光谱十分相似的纺织纤维棉和亚麻、桑蚕丝和柞蚕丝明显分类;对光谱相似的纸纤维, 可采用选择不同光谱波数段进行主成分分析, 比较发现能够把五种纸纤维明显区分的光谱区间为3 800～2 800 cm-1。本研究为分子光谱无损分析技术应用于文物材料鉴别、科学评估纤维材料保存状况提供基础研究。     

红外光谱在纤维质文物材料鉴别中的应用研究

纺织纤维和纸张纤维是常见纤维质文物材料,是构成博物馆精美文物如服饰手稿书画的基本材料,近年来寻求通过无损或微损方法对这一类材料的鉴别以及劣化状况评价备受文物鉴赏家和文物保护工作者的关注。借助傅里叶变换红外光谱,研究博物馆常见纺织纤维材料棉、麻、桑蚕丝、柞蚕丝、羊毛的红外光谱特征和它们的分子结构组成异同,研究传统纸纤维稻草、麦草、龙须草、龙旗松、桑皮红外光谱特征。结果表明：衰减全反射傅里叶变换红外光谱无损分析技术可通过比较3 300～2 800 cm-1 CH,NH,OH振动区间光谱形状以及指纹区峰位以区别不同种类纺织品纤维;碳氧振动纸张纤维最明显光谱差异位置出现在与纤维素OH伸缩振动相关波数3 300 cm-1和与C—O—C相关波数1 332,1 203,1 050 cm-1。文章探索研究红外光谱技术结合主成分分析法在快速鉴别纤维材料中的应用。通过对全光谱数据多元散射校正(MSC)预处理后进行主成分分析,可以把红外光谱十分相似的纺织纤维棉和亚麻、桑蚕丝和柞蚕丝明显分类;对光谱相似的纸纤维,可采用选择不同光谱波数段进行主成分分析,比较发现能够把五种纸纤维明显区分的光谱区间为3 800～2 800 cm-1。本研究为分子光谱无损分析技术应用于文物材料鉴别、科学评估纤维材料保存状况提供基础研究。     

有孔探针近场拉曼光谱和成像技术进展

基于有孔探针SNOM的近场拉曼光谱和成像技术的出现使得拉曼光谱的分辨率突破了光学衍射极限,从而提供了一个有力的工具对样品亚波长尺度之下的化学信息进行表征。文章讨论了探针性质对实现近场拉曼光谱的影响,并全面地介绍了有孔探针近场拉曼光谱发展十余年来在纳米尺度化学分辨成像、液-液界面性质研究、微观层面解释SERS增强机理、图像化反映SERS热点分布等诸多领域的研究进展。     

光谱技术在文物绘画用胶结材料中的研究进展

文物绘画胶结材料经常与颜料或染料以混合状态存在,成分复杂,在悠久的历史环境中,胶结材料降解老化,文物绘画层受到严重损害。绘画内容蕴含很高的艺术、历史和科学价值,对古代的文化、风俗,科学技术,宗教信仰等研究具有重要意义。绘画胶结材料通常以多糖、脂肪酸或蛋白质为基础,其精确分析对彩绘文物的鉴定与保存材料的选择至关重要,同时也有助于确定合适的保护处理方法,故胶结材料在老化过程中的化学变化及其物质组成的认识是文物保护界的关注热点。因文物具有不可再生性,绘画胶结材料含量低,样品允许微损或无损分析,普通的分析方法在灵敏度上很难达到要求。光谱技术作为文物材料结构的分析工具之一,满足了胶结材料无损或微损的分析要求,克服了传统化学手段的分析缺陷,在文化遗产保存和保护领域得到了广泛的应用。综述了红外光谱,拉曼光谱,紫外-可见和荧光光谱、核磁共振等光谱技术在文物绘画用胶结材料分析中的应用。红外光谱中,其反射模式抗干扰强,尤其是衰减全反射红外光谱图分辨率高;同步辐射红外光谱检测面积小,可对化合物精确定位、分离;漫反射和亚衍射极限红外光谱可分别进行非侵入性表征和纳米微区成像。拉曼光谱对分子变化有特异性、敏感性,选择性强,是胶结材料的有效检测技术。荧光光谱除强的选择性外,物理参数多,获取被测分子信息多,荧光寿命成像可区分胶结材料。核磁共振二维谱能分析复杂混合物,溶胀态核磁共振技术抗干扰,分析时间短,样品不需预处理;电子顺磁共振和边缘结构可研究环境对颜料和胶结材料的影响。光导纤维反射光谱可做原位无损分析,中红外光纤反射光谱是分析胶结材料的理想方法,该法与拉曼光谱法可信息互补,区分复杂胶结材料。综述中光谱技术大多可和化学计量学结合,更好地进行胶结材料的研究,但不同的光谱技术受现阶段方法所限,获取的样品信息不尽相同,样品分析时可把多个光谱技术结合起来以发挥各自优势,弥补自身的测试不足,相互补充印证,提高分析结果的准确性。另外对仪器联用技术做了简要介绍,总结了目前胶结材料分析的难点,对光谱技术的发展与应用前景做了展望。     

微纳加工领域新著--《微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用》

微纳加工领域是从事物理学研究与应用开发人员,特别是从事纳米材料与器件研究的物理工作者十分关注和重视的领域。这是由于人们在对纳米材料性能的研究中发现,性能与材料的微观结构尺寸的变化关系密切。例如,随着材料尺度的减小,由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响,材料的物理性能和采用该材料制作的器件特性等都可能表现出与宏观体相材料和相关器件特性显著不同的特点。这些特点是材料性能对微观结构尺寸变化的敏感性所导致的结果。正是由于这种敏感性,使得无论在纳米材料科学问题研究还是在纳米器件发展应用中,对材料生长控制和微加工的精确程度都提出了极为苛刻的要求。所以,需要纳米、甚至原子、分子层次的微纳加工技术,以探索材料与器件的新特性。可见,基础科学的研究发展往往需要技术科学提供强有力的支持,要想探索在纳米尺度下物质的变化规律、新的性质和器件功能及可能的应用领域,同样离不开相应的技术手段。微纳加工技术作为当今高技术发展的重要领域之一,是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳加工,人们可以按照需求来设计、制备具有优异性能的纳米材料或纳米结构及器件与装置,发展探测和分析纳米尺度下的物理、化学和生物等现象的方法和仪器,准确地表征纳米材料或纳米结构的物性,探索纳米尺度下物质运动的新规律和新现象。     

聚苯乙烯荧光乳液的制备及其性能研究

为了实现萘酰亚胺水性化以及提高与纸张的结合性,通过乳液聚合法制备了聚苯乙烯荧光乳液,并对其合成条件进行了优化。通过红外、凝胶渗透色谱法确定其结构;利用紫外、荧光光谱测定其光学性能;采用扫描电镜和透射电镜对其形貌进行了观测。通过计算得出其荧光量子产率为78.57%。聚合物涂布于纸张表面后,初始白度增大了8.19%（ISO）。在紫外老化箱老化48 h后,涂有聚合物的纸张的白度分别比空白纸和涂有小分子荧光增白剂的纸张下降了3.68%（ISO）和3.16%（ISO）,说明所制得的聚合物乳液与纸张结合性好,具有一定的增白及返黄抑制作用。     

Exploring the intellectual structure of nanoscience and nanotechnology: journal citation network analysis

Understanding the research trends and intellectual structure of nanoscience and nanotechnology (nano) is important for governments as well as researchers. This paper investigates the intellectual structure of nano field and explores its interdisciplinary characteristics through journal citation networks. The nano journal network, where 41 journals are nodes and citation among the journals are links, is constructed and analyzed using centrality measures and brokerage analysis. The journals that have high centrality scores are identified as important journals in terms of knowledge flow. Moreover, an intermediary role of each journal in exchanging knowledge between nano subareas is identified by brokerage analysis. Further, the nano subarea network is constructed and investigated from the macro view of nano field. This paper can provide the micro and macro views of intellectual structure of nano field and therefore help researchers who seek appropriate journals to acquire knowledge and governments who develop R&D strategies for nano.     

Nanotribological properties of silicon surfaces nanopatterned by laser interference lithography

The problems caused by the adhesive force and friction force become more critical when the size of M/NEMS devices shrinks to micro/nano-scale. The nanotexture-patterned surface is an effective approach to reduce friction force on micro/nano-scale. Laser interference lithography is an attractive method to fabricate micro/nanotextures, which is maskless and allows large area periodical structures to be patterned by a couple of seconds’ exposure in a simple equipment system. We fabricate various nanogrooves with different pitch and space width on silicon wafers by laser interference lithography and chemical etching. We investigate the nanotribological properties of the patterned surfaces by AFM/FFM. We show that friction on the nano/micro-scale is related to the coverage rate of the nanogrooves, which decreases with increase in the space width and decrease in the pitch.     

Emission of weak electrons: Dosimetry of nanovolumes

Modern radiation therapy (RT) technologies and the needs of molecular and micro radiobiology have necessitated the detection of radiation absorbed by micro/nano volumes. The possibility of developing a nano/micro-scale dosimeter is demonstrated via the use of prethreshold photoelectron and exoelectron emission from solid-state nanolayers (Si, bone) and nanofilms (ZrO2:PbS). The experiments indicate that the absorbed dose threshold depends on the detector origin.     

Preparation of nano/micro-scale column-like topography on PDMS surfaces via vapor deposition: Dependence on volatility solvents

In this work, a column-like nano/micro-scale topography surface has been prepared via trichloro(octyl)silane (TCOS) vapor deposition on the air plasma oxidized polydimethylsiloxane (PDMSOx) surface. TCOS was mixed into n-heptyl alcohol and dimethyl-silicone oil to form a series of mixture. TCOS could anchor to the PDMSOx surface to form column-like nano/micro-scale topography while n-heptyl alcohol and TCOS volatilized to the PDMSOx surface in the subsequent vapor phase process. These surfaces were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transform infrared-attenuated total reflection, contact angle measuring system and atomic force microscopy. It was shown that TCOS had been successfully assembled on the polydimethylsiloxane surface. N-heptyl alcohol mixed into alkylsiloxane could regulate the scale and roughness of column-like nano/micro-scale topography.     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

Studies of organic paint binders by NMR spectroscopy

Nuclear magnetic resonance spectroscopy is applied to the study of aged binding media used in paintings, namely linseed oil, egg tempera and an acrylic medium. High resolution 1D and 2D NMR experiments establish the state of hydrolysis and oxidation of the linseed and egg tempera binders after five years of aging, by determining several markers sensitive to the hydrolytic and oxidative processes of the binder lipid fraction. The composition of the acrylic binder co-polymer is determined by 2D NMR spectroscopy, while the identification of a surfactant, poly(ethylene glycol), found in greater amounts in aged acrylic medium, is reported.The non-destructive nature of the proposed analytical NMR methodology, and minimization of the amount of binder material needed through the use of sophisticated cryoprobes and hyphenated LC-NMR techniques, make NMR attractive for the arts analyst, in view of its rapid nature and experimental simplicity. PACS 82.56.Dj; 82.56.Fk; 82.56.Hg; 82.56.Ub     

Nanomechanics of single keratin fibres: A Raman study of the α‐helix →β‐sheet transition and the effect of water

The use of micro‐Raman spectroscopy, through chemical‐bond, nano‐scale probes, allows the changes in conformations (α‐helix →β‐sheet), chain orientation, breakage of disulfide bonds (20%) and the increase of intra‐ and inter‐chain distances during the application of stress to be distinguished. The combination of micro‐Raman spectroscopy and a Universal Fibre Tester allows a quantitative measurement of the extension of chemical bonds in the peptide chain during loading. The nano‐structural transformations of keratin during strain of human hair in a dry environment (40–60% relative humidity) and saturated with water have been studied. Water permits the sliding of the chains and decreases the bond energy of the hair. Spectral analyses and 2D correlation are two coherent and independent methods to follow the structural nano‐mechanical (Raman) and micro‐mechanical (strain/stress) analyses, and confirm the validity of the experimental results, tools and principles used, as well as the agreement with the structural model of keratin fibres described by Chapman and Hearle. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于光谱及成像技术的种子品质无损速测研究进展

种子是农业生产过程的重要生产资料。种子质量评价、活力与老化检测、纯度与真伪鉴别、分类与溯源研究是种子品质检测中的常见问题。种子质量主要包含种子含水率、蛋白含量、脂肪酸含量、淀粉含量等,是种子品质分级的重要指标,并且关系到种子存储过程的安全问题。种子活力是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势、植株抗逆能力和生产潜力的总和;高活力种子具有明显的生长优势和生产潜力。种子老化是指种子活力的自然衰退,表现为种子变色、发芽率低、生长势差、作物减产。种子的纯度与真伪则会影响作物产量和农产品品质;而种子分类与溯源则是保证种子纯度与鉴别种子真伪的重要方法,进而为作物产量与产品品质提供保障。对于种子品质分析,传统方法通常需要对样品做不可逆的破坏性分析,且分析时间长、过程复杂,难以适应现代农业对种子生产环节的需要。因此,开展种子品质无损快速检测技术研究成为当前亟待解决的问题。近年来,随着化学计量学的发展和计算机技术的进步,近红外光谱法以其快速、无损、高效等优势,在农产品、食品、农业投入品等的无损快速分析方面得以广泛的应用。进一步地,将光谱技术与成像技术相结合,高光谱成像技术近年来日益兴起,相比较于传统的光谱技术,高光谱成像技术在获得待测样品的光谱信息的同时,还可以获取样品的空间分布信息以及图像特征。基于近红外光谱及高光谱成像等无损快速检测技术,从种子质量评价、活力与老化检测、纯度与真伪鉴别、分类与溯源研究四方面对近年来关于种子品质无损快速检测文献进行综述。在分析不同检测技术特点的基础上,分别就上述种子品质检测方面的问题加以整理。进而对种子品质无损快速检测的技术特点进行了总结与展望。     

Utilization of inverse approach in the design of materials over nano‐ to macro‐scale

In the light of recent developments in computer technology, a promising and efficient way to design a material with a desired property would be to solve the inverse problem: use a physical property to predict structure. Here, we discuss the basic idea and mathematical foundation of the inverse approach, and proposed strategies for its utilization in the design of materials over nano‐ to macro‐scales. At the nano‐scale, analyzed strategies include scanning of a high‐dimensional space of chemical compounds for those compounds that have a targeted property, and identification of correlations in large databases of materials. However, unlike utilization of inverse approach at nano‐scale where full structural information ‐ atoms and their positions‐ is linked to targeted properties, at the meso‐ and macro‐scale, only partial structural information, manifested via structural motifs or representative volume elements, is available. We discuss the role of partial structural information in the inverse approach to the design of materials at those scales. Risks and limitations of the inverse approach are analyzed and dependence of the approach on factors such as structure parametrization, approximations in theoretical models, and feedback from structural characterization, is addressed.

     

Experimental and theoretical evaluation of wettability on micro/nano hierarchically engineered surfaces based on robust micro-post-arrayed- and highly ordered nano-rippled-structures

This paper reports a simple approach for demonstrating a micro/nano hierarchical surface, ensuring both geometrical regularity and mechanical stability, for improving the hydrophobicity. The proposed dual-scale hierarchical surfaces were realized simply by combining the highly self-ordered ripple-like nano patterns with the robust micro-post arrays, based on the cost-effective nonlithographic chemical oxidation process and well-established microfabrication technologies. The wettability of the proposed nano-scale mono- and micro/nano dual-roughened surfaces was evaluated by measuring the apparent contact angles (ACAs), and analyzed theoretically with analytic models based on the Wenzel, Cassie, and combined wetting theories. Through experimental and theoretical observations, it was found that the proposed micro/nano hierarchical structures can improve the wetting property and the superhydrophobic robustness of high- and low-density micro-post arrayed surfaces, respectively.