专利名称：用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的制备方法，具体地说，是一种用超声制 备具有生物精细结构氧化物材料的方法。
技术背景由自然生物结构长期进化而形成的各种迥异形态、多层次、多维度、多组分、 多功能乃至结构功能一体化的特点，对先进材料的设计起到了直接的指导作用。 非人工所能合成的特殊结构-特殊功能集成化的复合材料的研究正成为其应用的 一个重要方向。比如研究发现蝴蝶翅膀所具有的鲜艳的色彩，来源于其本身所 具有的多级、高度有序的光子结构，而这种结构对不同的气体具有选择性的响应， 这对开发光传感材料是一个新的启示。因此，仿生合成具有生物精细结构，又具 有独特的光、物理、化学性质的功能材料引起了人们极大的兴趣。人们通过涂膜、渗透的方法复制得到了保持生物结构的Ti02、 A1203、 Sn02、 ZnO等氧化物材料。这 些方法要求前驱体溶液具有好的流动性，以便渗透到生物体的大孔、小孔和微孔 中，所以配制的溶液浓度比较低，复制材料所需时间比较长。经对现有技术的文献检索发现，Gary Cook等在《Angew. Chem. Int. Ed.》 (应用化学)(2003年第5期第557页)上发表的"Exact R印lication of Biological Structures by Chemical Vapor Deposition of Silica" (二氧化 硅气相沉积法复制生物结构)，该文中提出用气相沉积方法对蝴蝶的翅膀等生物材料进行复制，具体方法为在生物体结构的表面可控气相氧化硅垸，得到复制 自然生物形貌的无机氧化物材料。其不足在于由于气相沉积方法的本身的缺陷， 使得蝴蝶翅膀的表面沉积了厚厚的一层二氧化硅(100-150 nm)，无法达到对生 物材料精细结构的复制(纳米尺度)。氧化物独特的光、电、磁性能，在高密度磁性储存媒介、催化、光传感、光 过滤、磁记录器件上有着广泛的应用前景。仿生生物精细结构将赋予氧化物材料 新的性能。开发新的快速、简便、有效的方法复制生物体经过亿万年进化而来的精细、多层次结构成为当务之急。到目前为止，还没有利用超声的方法复制生物 体的结构的报道。 发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用超声制备具有生物精细 结构氧化物材料的方法，使其利用超声技术，以生物为模板，结合表面预处理， 最后烧结去掉生物模板得到氧化物材料，具有操作简单、效率高、耗时少、能精 确复制生物多层次、多级精细结构的氧化物材料。.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤第一步，采用生物体为模板，对生物体进行表面预处理；所述表面预处理，其中对动物模板预处理用HC1溶液处理，用NaOH溶液处 理，对植物模板的预处理用HC1溶液处理，然后用HA和NaOH的混合溶液处理。 第二步，将预处理后的生物体浸入前躯体溶液中；所述前躯体溶液，是指高锰酸钾溶液、或四氯化钛溶液、或醋酸锌的醇溶液、或重铬酸钾溶液等，前躯体溶液的重量百分比浓度为1-10wt%。 第三步，对第二步的溶液进行超声处理；所述超声处理，其超声功率为100W -600W。 所述超声处理，其超声时间为3小时-IO小时。第四步，超声结束后，取出生物体，用蒸馏水冲洗、干燥后，去掉生物模板， 就得到具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化物材料。 所述去掉生物模板，其温度为500度-800度。所述生物模板包括动物和植物，进一步的，如蝴蝶的翅膀、或棉花、或木块、 或叶片。所述氧化物包括氧化硅、氧化锰、氧化钛、氧化锌、氧化铬等氧化物中的 一种。与现有技术相比，本发明采用超声湿化学方法，以生物体为模板，结合生物 模板的前期预处理，将预处理的生物体浸入配制好的前躯体溶液中，采用超声湿 化的方法制备从宏观尺度到微米以至纳米水平，保持生物精细结构的氧化物材料。 本发明工艺非常简单(只需一个超声发生器)、耗时少(3-10小时)、可控性好， 合成的氧化物材料结构保持了生物模板的精细结构，在透射电镜下可以观察到对 生物结构的几个纳米孔道的复制。
图1是制备得到的具有多层次、多维生物精细结构的氧化锰材料的x-射线粉末仪测量结果。图2是利用超声方法合成的具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化锰材 料的扫描电镜图。图3是利用超声方法合成的具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化锰材 料的透射电镜图。图4是利用超声方法合成的具有棉花精细结构的氧化锰材料的扫描电镜图。 图5是利用超声方法合成的具有棉花螺旋、弯曲纳米管结构的氧化锰材料的 透射电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。实施例1(1 )将蝴蝶翅膀放入5% HC1溶液中3小时后，用蒸馏水冲洗，后放入6% NaOH 溶液中在60 。C处理3小时，取出后用蒸馏水冲洗，干燥备用。(2) 配置重量百分比浓度为P/。的KMn04溶液。(3) 将预处理的蝴蝶翅膀放入上述装有高锰酸钾溶液的烧杯中，置于超声发 生器中。(4) 然后在功率为100W的设置下，超声3小时。(5) 取出烧杯，将生物模板-氧化锰复合物取出，用蒸馏水冲洗2-3次，干燥。(6) 将蝴蝶-二氧化锰复合物放在空气氛围的高温烧结炉中，500度去掉模板， 就得到具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化锰材料。图1是制备得到的具有多层次、多维生物精细结构的氧化锰材料的x-射线粉末仪测量结果。与a-MnA的标准谱图是一致的(JCPDS 06-0540)，说明复制得到 了氧化锰材料。图2是利用超声方法合成的具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化锰材 料的扫描电镜图。从图中可以看出复制得到的氧化锰材料可以很好保持蝴蝶翅膀的胞腔结构。图3是利用超声方法合成的具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化锰材 料的透射电镜图。其中黑而厚的墙体是复制的翅膀的有机圆柱形部分，厚的墙体 间的薄的部分是复制的胞腔组织。从中可以看出，复制的二氧化锰保持了蝴蝶翅 膀纳米级的精细结构。实施例2(1) 将棉花放入5% HC1溶液中3小时后，用蒸馏水冲洗，后放入10% H202/NaOH溶液中在60 。C处理3小时，取出后用蒸馏水冲洗，干燥备用。后蒸 馏水冲洗，干燥备用。(2) 配置重量百分比浓度为5%的KMn04溶液。(3) 将预处理的棉花放入上述装有高锰酸钾溶液的烧杯中，置于超声发生器中。(4) 然后在功率为400W的设置下，超声6小时。(5) 取出烧杯，将生物模板-氧化锰复合物取出，用蒸馏水冲洗2-3次，干燥。(6) 将蝴蝶-二氧化锰复合物放在空气氛围的高温烧结炉中，600度去掉模板， 就得到具有棉花多层次、多维生物精细结构的氧化锰材料。图4是利用超声方法合成的具有棉花结构的氧化锰材料的扫描电镜图。从图 中可以看出复制得到的氧化锰材料保持棉花螺旋、弯曲的结构。图5是利用超声方法合成的具有棉花精细结构的氧化锰材料的透射电镜图。 可以清晰地看出，复制得到的氧化锰材料由一排排具有十几个纳米的氧化锰纳米 管组成。进一步说明复制的二氧化锰保持了棉花纳米级的精细结构。实施例3(1 )将泡桐木块放入5% HC1溶液中3小时后，用蒸馏水冲洗，后放入10% H202 和NaOH的混合溶液中，于60 。C处理3小时，取出后用蒸馏水冲洗，干燥备用。(2) 配置重量百分比浓度为10%的薩1104溶液。(3) 将预处理的泡桐木块放入上述装有高锰酸钾溶液的烧杯中，置于超声发 生器中。(4) 然后在功率为600W的设置下，超声10小时。(5) 取出烧杯，将生物模板-氧化锰复合物取出，用蒸馏水冲洗2-3次，干燥。(6)将木块-二氧化锰复合物放在空气氛围的高温烧结炉中，800度去掉模板， 就得到具有泡桐多层次、多维生物精细结构的氧化锰材料。通过形貌分析，复制得到的二氧化锰材料保持泡桐的原有形貌，精确复制了 泡桐的大孔、微孔以至纳米孔。实施例4(1 )将泡桐木块放入5% HC1溶液中3小时后，用蒸馏水冲洗，后放入10% H202 和NaOH溶液中，于60 。C处理3小时，取出后用蒸馏水冲洗，干燥备用。(2) 配置重量百分比浓度为3°/。的四氯化钛溶液。(3) 将预处理的泡桐木块放入上述装有四氯化钛溶液的烧杯中，置于超声发 生器中。(4) 然后在功率为600W的设置下，超声6小时。(5) 取出烧杯，将泡桐-氧化钛复合物取出，用蒸馏水冲洗2-3次，干燥。(6) 将泡桐-氧化钛复合物放在空气氛围的高温烧结炉中，600度去掉模板， 就得到具有泡桐多层次、多维生物精细结构的氧化钛材料。通过形貌分析，复制得到的二氧化钛料保持泡桐的原有形貌，精确复制了泡 桐的大孔、微孔以至纳米孔。 实施例5(1) 将柳木放入5% HC1溶液中3小时后，用蒸馏水冲洗，后放入10% H202 和NaOH的混合溶液中，于60 。C处理3小时，取出后用蒸馏水冲洗，干燥备用。(2) 配置重量百分比浓度为8%醋酸锌的醇溶液。(3) 将预处理的柳木放入上述装有醋酸锌溶液的烧杯中，置于超声发生器中。(4) 然后在功率为600W的设置下，超声6小时。(5) 取出烧杯，将柳木-氧化锌复合物取出，用蒸馏水冲洗2-3次，干燥。(6) 将柳木-氧化锌复合物放在空气氛围的高温烧结炉中，500度去掉模板， 就得到具有泡桐多层次、多维生物精细结构的氧化锌材料。通过形貌分析，复制得到的氧化锌料保持柳木的原有形貌，精确复制了泡桐 的大孔、微孔以至纳米孔。
权利要求
1、一种用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法，其特征在于包括以下步骤第一步，采用动物或者植物为模板，对动物或者植物进行表面预处理；第二步，将预处理后的动物或者植物浸入前躯体溶液中；第三步，对第二步的溶液进行超声处理；第四步，超声结束后，取出动物或者植物，用蒸馏水冲洗、干燥后，去掉动物或者植物模板，就得到具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化物材料。
2、 根据权利要求1所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法， 其特征是，所述表面预处理，其中对动物模板预处理用HC1溶液处理，然后用 NaOH溶液处理，对植物模板预处理用HC1溶液处理，然后用HA和NaOH的混合 溶液处理。
3、 根据权利要求1所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法， 其特征是，所述前躯体溶液，是指高锰酸钾溶液、或四氯化钛溶液、或醋酸锌 的醇溶液、或重铬酸钾溶液。
4、 根据权利要求1或3所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的 方法，其特征是，所述前躯体溶液，其重量百分比浓度为1-10wt%。
5、 根据权利要求1所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法， 其特征是，所述超声处理，其超声功率为100W -600W。
6、 根据权利要求1或5所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的 方法，其特征是，所述超声处理，其超声时间为3小时-10小时。
7、 根据权利要求1所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法， 其特征是，所述去掉动物或者植物模板，其温度为500度-800度。
8、 根据权利要求1或7所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的 方法，其特征是，所述动物或者植物模板为蝴蝶的翅膀、或棉花、或木块。
9、 根据权利要求1所述的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法， 其特征是，所述氧化物包括氧化硅、氧化锰、氧化钛、氧化锌或氧化铬中一种。
全文摘要
一种纳米材料技术的用超声制备具有生物精细结构氧化物材料的方法，包括以下步骤第一步，采用动物或者植物为模板，对动物或者植物进行表面预处理；第二步，将预处理后的动物或者植物浸入前躯体溶液中；第三步，对第二步的溶液进行超声处理；第四步，超声结束后，取出动物或者植物，用蒸馏水冲洗、干燥后，去掉动物或者植物模板，就得到具有蝴蝶多层次、多维生物精细结构的氧化物材料。本发明以自然界中大量存在的动植物为模板，工艺简单、耗时短、材料的精细结构保持完整，能够达到对生物模板材料从宏观尺度到微米以至纳米水平的复制。
文档编号C01G45/02GK101254901SQ20081003554
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者佳 刘, 荻 张, 朱申敏 申请人:上海交通大学