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神奇的纳米网络及其微妙的纳米网络金字塔 精选

已有 6693 次阅读 2015-8-10 16:47 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦|关键词:纳米网络,纳米网络金字塔,应用前景| 应用前景, 纳米网络, 纳米网络金字塔

神奇的纳米网络及其微妙的纳米网络金字塔


按语:本文是我刚写好的一篇科普文章初稿,其中包含我们

课题组以前的研究成果,现在作为科普进行抛砖引玉,

广大网友能看完后提出宝贵意见,以便进一步修改完善。

请以下面PDF文件为准(特别是那些数学符号和图形)。


04-神奇的纳米网络20150810.pdf


 

提起纳米名字,大家并不陌生,从80年代发展起来的纳米材料在人类衣食住行等日常生活中,纳米产品五花八门,丰富多彩,应用广泛中科院化学所在世界上第一个研制了仿荷叶结构的防水纳米布,具有出污尼而不染病的“莲花效应”;纳米技术电池、纳米化妆品、纳米阻燃等,颇有特色。

试问:对于纳米材料的奥秘大家有多少了解?当今网络无处不在,那么纳米材料也存在复杂网络结构吗?如果有,纳米网络有何诱人之处?实际上,纳米材料,就可以说是纳米网络材料,它们都是由纳米网络组成的特殊新材料。本文将揭开这个纳米网络及其金字塔的神奇而美妙的面莎。

就像毫米、微米一样,纳米也是一个物理学上的度量单位,1纳米等于1米的十亿分之一;相当于45个原子排列起来的长度,万分之一头发丝粗细差不多。当物质达到纳米尺度以后,即大约在1—100纳米这个范围空间时,物质的性能就会发生诱人的突变,出现某些种特殊的性能。它既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料,才叫纳米材料。例如,把铁钴合金做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,那也不能叫纳米材料。

由于纳米微粒(1-100nm)的独特结构状态,使其产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能或许多独特功能.纳米复合高分子材料、纳米抗菌、保鲜、除臭材料等等,由于纳米材料的尺寸小,比血液中的红血球小一千多倍,比细菌小几十倍,气体通过其扩散的速度比常规材料快几千倍。纳米颗粒与生物细胞膜的化物作用很强,极易进入细胞内。因此,纳米技术目前已成功用于许多领域,包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。

纳米材料和纳米结构确实已经取得了引人注目的成就。纳米材料和纳米结构是当今新材料物理领域中最富有活力、对经济和社会发展有着十分重要影响的研究领域,也是纳米科技中最为活跃和被广泛应用的重要部分。难怪,美国科学家认为“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。可以说,纳米开辟了人们认识自然的新层次,是现代物理知识创新的一种源泉。

已经知道,现代物理发现的物质中有许多重要的特征长度,诸如:电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸,这些尺度都与纳米结构单元的尺度(1~100urn)大小相当。但是,却能够导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性回然不同,它既不同于微观的原子、分子的性质,也不同于宏观物体的特性。在纳米领域已经发现了一些新现象、新规律,产生了新概念,建立了新理论,这些发现和理论为构筑纳米材料科学体系的新框架奠定了基础,并极大丰富了纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。因此,纳米特性的发现把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域,所谓介观尺度。例如,世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属,纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合,就是纳米材料领域的上述重要研究课题的一部分。其中纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究热点,人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。例如,聚合物/蒙脱土(MMT)纳米插层复合材料,是目前研究最多、最引人注目的复合材料。我国已经首次提出了木材胶粘剂酚醛树脂/蒙脱土纳米插层复合的技术路线,并在人造板工业中得到了应用。

在纳米尺度(1-100nm)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术研究,包括对原子、分子进行操纵,对半导体材料、复合材料施以能带工程来生长量子点、量子线和各种纳米结构,等等。显然,纳米科技是当今世界现代科技的主题之一,是量子计算、量子网络的制造的基础,也是当代世界科技发展的重要方向之一。

那么,纳米网络及其金字塔是怎么回事和什么概念呢?它有什么新特性和新特点呢?与纳米科技有何关系?作者在本刊2015第3和4期两期分别撰文:《复杂系统的一大类自组织形式——网络金字塔的研究进展》和《统计物理与网络科学的联系与挑战》里,介绍过与复杂网络相关的课题,已经了解到,美国比安科尼(Bianconi)和巴拉巴西(Barabasi)已经把量子网络模型与玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)现象的有机地联系起来了,在量子网络模型里已经重现了BEC的诱人结果,提出了玻色量子网络的概念,推动了量子网络的探索工,。同时,量子电动力学理论在开放量子系统的研究得到了应用,构造量子干涉器件工作也有所进展。当系统线性地同一个横向电磁场通过局部规范不变作用密度形式,这里是物质守恒电荷流密度,费曼(Feynmann)和 弗农Vernon)在2000年计算影响泛函时结果表明:存在着一个量子相干作用在电子电流密度和外加电磁场或辐射场之间, 这为构造量子相干网络提供了理论依据。这些量子干涉作用能被看为阿哈罗诺夫(Aharonov)和波姆(Bohm)作用的推广,即推广了在金属或半导体的圈中电子电流密度和外垂直磁场或电场之间量子相干效应。

本文在上述背景下,将介绍神秘又美妙的纳米网络与纳米金字塔,揭开它们有趣而新颖的部分物理特性,展望其广阔与美好的应用前景。

1. 一种典型的量子相干网络——纳米网络及其模型

   纳米网络实质上是一种量子相干网络的典型实例。图 1 示出实验观察到由 制成的六边形纳米网络,其跨度350纳米.我们可以应用图2所示的六边形纳米线圈来表示纳米网络的一个最基本单元。

图 1  制成的六边形纳米网络,其跨度350纳米.

图2  纳米网络的一个最基本单元——六边形纳米线圈。六个顶点分别记为对应的速度分别,其中请看pdf文件。


我们知道,开放体系的量子电动力学理论可以描述量子相干效应,基于这种量子相干效应,我们利用纳米线自然形成一种“量子相干网络”这里简称为纳米网络,图2是量子相干网络的最基本单位结构:由纳米圆环和纳米线构造。

我们来考虑一个电子流沿两条纳米线从点流到输出点的图2模型,其波函数可由超叠加原理给出:,这里对应的密度算子为,演化密度算子为

       

           

图 3  由六边形纳米线圈组成的纳米网络传感器电路示意图。网络具有六层电流密度传输。


我们要研究电子密度矩阵在电磁辐射场作用为时的结构。如果电子流密度可作为经典流密度来处理,在一些近似条件下,我们可得一个相关关系。例如在由电子流发出的光子的波长比电子的康普顿波长足够的长,以至它比经典电子的半径大些的条件下,这样电子电流的运动就可由半经典的近似来描述。这时,可以假设表为电流密度的本征态,有这里是经典电流密度:,其中支路1和2中的经典电流密度分别两者之为和。


2. 六边形纳米线网络

基于上述模型和相关物理原理,我们自然构成了由一个个六边形纳米线组成纳米网络,其结构如图3所示,它实际上可由电子束刻蚀或化学方法制备获得(请参考S. Yoshida, I. Tamai, T. Sato, H.Hasegawa, 2002; H. Hasegawa, T. Muranka, S. Kasai, T. Hashizume, 2003).与图1-2具有异曲同工之妙。

图 3  由六边形纳米线圈组成的纳米网络传感器电路示意图。网络具有六层电流密度传输。

 六边形的六条边记为,,,,,,,其对应的六个4-维速度为,,,,,,,并具有一定的对称性,即

.电流密度由付利埃(Fourier)变换给出。根据计算, 一个六边形纳米网络传感器可构造成如图3那样,其中由无穷六边纳米图形组成。从沿传感器两支输入电流密度,开始, 可以分别给出第一级、第二级、第三级、第四级和第五级等输出电流密度。

沿着两个分支是,,则输出电流密度在不同的层级里显示出发生了量子相干,经过严格推导,最后可以得到输出电流密度递推公式。                            

这里通常表为有量子相干效应引起的电流密度的变化; ,表为有关输入电流密度标记; 而 表为电流密度在网络中传输的级数。上述最重要的结果和发现是,导致了两个输出电流密度不再相等,产生了电流增溢新现象。这表明:在这种纳米相干网络中,纳米两端输入和输出的电流密度不相同,电子电流和一个电磁辐射场之间存在量子相干作用, 这为量子相干器件的构造提供依据。这样的器件可由纳米线构成, 它对构造量子信息网络也是有意义的。因为这里关键的物理作用是电子电流同一般横向辐射场的作用, 这种量子相干可看为阿哈拉诺夫-玻姆(Aharonov-Bohm)作用的推广,即电子电流密度在金属或半导体圈中同磁场或电场产生效应的推广。值得注意的是, 利用具有选择性的分子束外延方法,一种六角纳米线网络可以生长在(111)B 基体面上, 且用纳米孔铝土模板可以生长有序的纳米线。这些进展激发导致可以利用纳米线来实现一种量子相干网络, 该网络可测量电子电流同辐射场的相互作用;而且我们可以探索量子相干网络的特征, 为基于纳米线的量子相干网络提供新的知识。

 

3. 纳米网络连接及幂律分布

基于前面的分析,电子电流密度传输可连接为一个纳米相干网络。 因为“量子”性质每一条连接线具有一定的量子几率连上或断开。进一步,我们可一般地拓广上面模型为一种类似Cayley树的模型,即我们假设:每一个结点加入系统中类似于Cayley树,并形成六边晶形为下面图4所描述。

 

图4. Cayley树的一个例子,近邻数为3,除表面上的结点以外,所有的点都有三条边(表面上的只有一条)。边上的结点和总结点的比例趋于一个常数。平均度数当大小趋于无限大时为。即,每一结点在时刻加入系统中,而时刻联结线数由描述并同相位有关。在每一步时间内,除表面的结点外,所有结点联线为3,当网络大小趋于无限时其。这样满足的速率方程就会得到幂律度分布(随机地选中结点具有k个联线的几率)为。这表明量子相干网络——纳米网络具有类似的无标度网络的性质。

 理论分析表明, 影响量子相干网络功能取决于电子在网络对称联接线中最后的相对速度。网络的级数越高,则允许相对速度被增加, 具有放大量子相干的作用。纳米线的量子相干网络联接分布的时间演变服从幂函数法则。这意味着量子相干网络有令人惊讶的抗偶然故障的能力, 这一能力来源于网络非同质性拓扑结构: 随机地打破一些六角纳米线圈毁坏主要是那些不重要的节点,因为它们的数目比汇集(重要) 节点大得多; 同这些几乎连接所有节点的中心节点(hub)相比较, 那些不重要的节点只同少数节点联接,因而去除它们或打破它们不会对网络拓扑结构有重大影响。这说明纳米线的量子相干网络对外来攻击具有鲁棒性。这个纳米线的量子相干网络区别于bosonic fermionic 络,主要不同在于节点的联接数同影响泛函相有关,而不是与能量有关。这表明, 纳米线的量子相干网络的拓扑性质发生了变化, 例如,k(t) P(k) 可能影响网络的动力态性质,诸如量子相干相位等,网络的动力学特征与网络的拓扑结构有关。

 

5. 纳米网络的电导

 

迄今,建立适当的理论来描述纳米网络或者介观系统中的物理现象正变得日益重要,引起兴趣和重视,因为在纳米网络结构需要来描述量子运输现象。久保(Kubo)和郎道-布提柯(Landauer–Buttike)的公式化形式为线性运输提供了一个简单的统一计算方法,并且已在有关纳米体系电流和电压的测量中取得了一些实效 (H.U. Baranger, A.D.Stone, 1989)[1]。遗憾的是,它对于非线性量子传输可能不可用。在过去的十多年中,许多研究者已为此而作了很多研究,三个主要的方法已得到实行:(1)散射矩阵方法;(2)非线性响应理论例如久保的方法可延伸至二阶),(3)非平衡格林函数,其中的做法已可求解非平衡的运输问题。这些方法论虽已取得大量进展,但仍然没有得出类似久保和郎道-布提柯方程那样简单明了的形式,包括所有扩展高阶非线性项。这不是一个小问题,因为电流-电压(I - V特性)在介观系统的关系,往往也伴随着一个重要的实验测量意义。

由于理论推导的复杂性,我们只给出基本结果和结论。我们应用了子动力学方法推导出一个测量纳米网络或系统非线性电导率的公式,并且推广了久保形式的介观体系的电导率公式,使之包含许多高阶非线性项,并证明是可以在郎道-布提柯形式中表现出来。使用导出的新公式,可以计算了量子点接触模型系统的电导率,可以证明K表达为(),其中k代表了相互作用力。条件对应于斥力有吸引力与外部电场的相互作用,分别与最近的实验数据相一致。

研究结果表明:线性响应久保和郎道-布提柯公式可以拓展到包括非线性响应,适用于介观系统。这个结论是与Luttinger-Tomonaga理论是一致的。这表明拓展的久保和郎道-布提柯公式提供了一个合适的起点来计算复杂介观系统的电导率,包括纳米网络在内。


6.纳米网络金字塔及其应用前景

尽管作者已在《复杂系统的一大类自组织形式——网络金字塔的研究进展》一文介绍了许多五彩缤纷的宏观网络金字塔,但是尚未描述介观和微观世界的网络金字塔,本文正好有机会来弥补一下。实际上,纳米金字塔老早已在实验里观察到了。荷兰特文特Twente)大学的一个小组已经成功地创建了一个世界上最小的金字塔,小到只能容纳一个生物活细胞, 如图5所示。这种利用纳米3D微加工技术打造的金字塔可以用于分离细胞但不切断它们之间的联系。研究认为,未来这种技术可配合流体向细胞提供营养,可能会在组织再生技术上发挥作用。

 图5.只能容纳一个生物活细胞的纳米金字塔与一种复杂纳米网络金字塔。

 

2014新加坡国立大学开发出了一种抵御细菌感染的新型武器-DNA“金字塔”纳米结构,这种新型的金字塔纳米结构或许可以将细菌“罩住”,从而比药物更为高效地将其杀灭。因为有些感染性的病原体会隐藏很久,并不会被人类机体所识别,有时候抗生素也对其束手无策;工程化的纳米药物结构就可以运输药物直至细菌细胞中对其进行精准杀灭作用,但是这种运输载体还具有一定的毒性,因此研究人员利用DNA为基础构建了一种安全有效的药物运输工具。这项研究中,研究者成功构建了小型的DNA“金字塔”纳米结构,其足够小以至于可以进行成千上万次地药物运输,随后研究者用荧光标记吸附于这种金纳米材料上,同时将药物放线菌素D装载于DNA“金字塔”纳米结构上;在对常见细菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行检测后,当这种运输结构进入细菌细胞释放药物后,研究者就可以对其进行追踪,结果显示,这种DNA“金字塔”纳米结构携带的药物放线菌素D可以杀灭65%的金黄色葡萄球菌和48%的大肠杆菌,而单独使用放线菌素D则可以杀灭42%的金黄色葡萄球菌及14%的大肠杆菌。(参看:生物谷Bioon.com)

诺贝尔奖得主理查德-费曼(Richard Feyneman 1959年演讲《在底部还有很大空间》中提出的“由下而上的方法”“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”即,从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到实际设计要求。他预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大得扩充我们获得物性的范围。”纳米器件正朝这个研究方向进一步发展,应用前景更加广阔。




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