自然界中的核/壳结构随处可见，而我们最熟悉牡笔舻厍颉５厍虻慕峁勾笾路治?乜恰⒌蒯：偷睾恕?lt;/SPAN>地壳位于地球的最外层，是由岩石构成；地幔是中间层，主要包含岩浆。岩浆是一种高温熔融体, 一旦地壳出现破损，岩浆会沿着破损的区域猛烈地喷发出来，形成火山喷发。喷出的岩浆温度一般在1000 oC左右，地球上生灵恐怕很难适应。你说地壳对我们多重要啊。反之，如果没有岩浆或者地核，地球又会怎样呢？估计我们是不太适合在那样的环境下搞科研。你说说，这核和壳材料之间的配合对建设和谐社会和科学网的可持续发展有多重要。

 

地球太大又这么复杂，我这个材料出身的小人物目前恐怕很难去研究明白。兴趣所致，我先从类似地球结构的纳米颗粒入门，等功力有所精进，再去搞地球这个大家伙。众所周知，纳米是个度量单位，等于十亿分之一米。以金属纳米颗粒为例，当颗粒的尺寸进入到纳米量级时，会带来很多的问题。首先，尺寸越小，比表面积越大，位于表面的原子占有相当大的比例，当粒径为5 nm时，表面原子百分数约为40 %。高表面积带来的高表面能，使微粒表面原子极其活跃，导致氧化及化学稳定性差。对于某些活泼的金属纳米颗粒，在空气中甚至发生自燃、爆炸等现象。其次，因为表面能高，粒子间处于热力学非稳定状态，极易发生团聚，分散性很差的纳米颗粒在实际使用过程中十分困难，往往失去了许多优越性。最后，结构/成分单一的纳米颗粒导致其功能性也单一化，制约了其向实际应用的发展。

 

对纳米颗粒表面进行包覆处理可以很有效地提高其在空气中的稳定性，同时也可以赋予其特殊的性能。通常情况下，核/壳结构的纳米复合颗粒又称为纳米胶囊（nanocapsule）。纳米胶囊是一种构造新颖的复合纳米颗粒材料。不同核/壳结构纳米胶囊的设计都是有针对性的,一方面是采用性质相对稳定的外壳来保护内核颗粒，可以很好的提高金属核材料在应用中的化学稳定性和分散性等（防止火山爆发）；另一方面是通过不同性能材料的复合，可以将纳米粒子特有的电、磁、光和催化等性能有机地统一，而且，通过核/壳之间的相互影响、耦合作用等也可能产生单一物质所不具备的新特性，实现1+1大于2的作用，好比地球的特殊构造产生了水、空气和生命等物质。估计火星的核/壳构造不太合理，要不怎么找点水都那么费事呢。纳米胶囊的制备方法近年来发展很快，不同类型的纳米胶囊也是层出不穷。按照不同的核/壳结构，纳米胶囊主要包括无机-有机、无机-无机、有机-有机和无机-生物等几个类型。近年来这个领域的文章大增，在web of science检索的主题下输入core/shell nanoparticles，就有3600多篇；再加上关键词China，有1200多篇，真为中国人在这个领域的贡献感到自豪！地球的结构是里外好几层，如此复杂的核/壳结构才创造出这个多彩的花花世界。我们既然在微观的材料世界上已经认识到这种结构的重要性，是不是更应该好好地保护地球的核/壳构造呢？

 

纳米胶囊的尺寸小、构造复杂，其结构表征也就成为关键。一般的技术手段是很难澄清/鉴定出核和壳的成分和相结构。从事材料科学的人最常用的就是X射线衍射（XRD）去鉴定材料的结构，这个方法真不错，能给出样品中的相结构。不过，对于纳米胶囊，它可能就不太管用了。XRD技术给出的相结构信息是样品集体行为，且不说核（或者壳）的材料可能是由多相组成，就是简单的核和壳两相结构的纳米胶囊，一堆的粉末也不好区分哪相对应壳哪相对应核。另外，当壳非常薄的时候，X射线形成不了衍射，这样有时候用XRD技术检测不到壳。透射电子显微技术（TEM）可以非常直接地表征出样品的微观结构，核/壳的界面可以清晰的观测出来。如果有高分辨的条件或者元素分析，甚至可以直接测试出原子分布。有些低熔点的或者具有磁性的材料，在TEM电子束的辐照下发生相变或者移动，使得难以获得清晰、准确的高分辨象。表征纳米胶囊的技术还有X射线光电子谱（XPS），因其探测灵敏度高，可以很好地避开核成分的影响，探测出表层成分。通过Ar离子剥离掉部分的壳材料，我们又可以进一步去了解核的化学成分。当然，如果纳米胶囊的核/壳结构象地球那么复杂，怎么去表征就值得思考了。因此在表征纳米胶囊结构的时候，除了有效地结合各种技术，有时候我们还不得不根据材料本身的性质加以判断。

 

这里讲个自己读博士时发表一篇关于核/壳结构纳米颗粒文章的经历（Mater. Sci. Eng. B 143 (2007) 76），文章是关于铁/硼酸（H3BO3）纳米胶囊。通过XRD、IR和TEM等技术以及结合我们一些经验，初步判断出壳材料为硼酸。在TEM分析中可以发现纳米胶囊的异质壳，硼酸在XRD和IR分析中也都得到验证。但是怎么就知道XRD、IR中出现的硼酸相就对应外壳呢？期间，我们也试图通过高分辨TEM技术粗略地测定壳材料的原子的面间距，但测试的时候发现壳在电子束的辐照下不断地变化，很难获得清晰的图片。可想而知，在论文同行评议的过程中，专家自然提出了怎样去证明壳材料的成分的意见，我总不能说凭我们的经验吧。由于我们学校那时没有XPS这类设备，利用其他单位的设备又不及时、方便，因此只好拍着脑子想办法。科研真不容易啊，但就是在这个过程中，才能使自己在压力下学习到更多的知识。在之后的几天思考中，我们始终有个疑问：外壳在电子束辐照的时候为什么变化呢？经过一些文献资料的阅读，我们了解到硼酸可以在100-200 oC之间分解为氧化硼，氧化硼在室温下又可以自发地转化为硼酸，在纳米尺度和真空环境下，其分解温度更低。很明显，电子束的辐照导致了硼酸分解为氧化硼，我们因此获得一个有力的间接证据（如图）。结合其他的一些实验结果，文章顺利发表。在这个补充的实验中，我们更深入地了解铁/硼酸纳米胶囊的性质，这是我们最初所没有想到的。如果我们有更好的实验条件，估计也不会想到如此“旁门左道”。当然，目前的方法也未必十分妥当，如果有条件，我们还会深入地去研究。

 

关于核/壳型纳米颗粒的结构和表征的文章很多，本人水平有限，这里我只简单介绍这些。

 

 

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