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小尺寸生物材料的生物学效应 1. 纳米结构造就蝴蝶色彩 蝴蝶翅膀由两层仅有3至4微米厚的鳞片组成，上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替，每个鳞片屑图案是由纳米级通道、皱纹和腔洞构成的。纳米结构向不同的方向弯曲和散射光线，反射独特的颜色到我们的眼中，随着你观察它角度的变化颜色也会发生改变。?鳞粉能将逃逸的光线高效折射回表面。这种独特结构，能使光折射率各异的物质在纳米层次有规则地排列，从而高效地让特定颜色的光透过或者将其“拦截”。 ?EPR Effect (Enhanced Permeability and Retention ) 2. 纳米结构的EPR效应 3. 纳米结构的细胞行为效应 (1) Contact guideline by Groove-patterned surfaces 2μm deep Randomly spreading Contact guiding Most cell types align length-wise to the groove Cell response dictated by groove dimensions and spacing Grooves 7 um wide, 3 um deep and spaced by 14 um. Cellular responses to patterned biomaterials (2) Determine cell fate 3. 纳米结构的细胞行为效应 纳米材料在溶液中的界面现象 1: 固体表面吸附: 固体从溶液中有选择的吸附某种离子而带电 固体表面电荷的起源 固体表面电荷的起源 1: 固体表面吸附: 固体从溶液中有选择的吸附某种离子而带电 离子晶格中阳离子/阴离子优先溶解，留下一个带电的表面；或者晶体表面有选择的吸附溶液中的构晶离子，若吸附正离子，晶体表面带正电荷。反之，则带负电荷。 2: 固体表面溶解/吸附: 2: 固体表面溶解/吸附: * 纳米材料导论 Introduction to Nanostructured Materials A Summary of Nanostructured Materials 化学、纳米粒子、凝聚态物理之间的尺寸关系 固体物理 纳米科学 量子化学 学科 无限大 10-100 1 直径/nm 6x106-无限 125-70 000 1 原子数 凝聚态 纳米粒子 原子/分子 物质形态 纳米电子结构：由原子分子的分裂能级到块体连续能级状态的过度状态 原子数 1 10 102 103 104 105 106 分子 原子/分子簇 纳米粒子 块体 分子、簇、纳米粒子和块体中含有的原子数 原子/分子理论 能带理论 纳米尺寸效应 (Nano-size Effect) 量子尺寸效应(Quantum size effect) 久保理论 (Kubo’s Theory) 表面效应 (Surface effect) 小尺寸效应(Small size effect) 库仑堵塞效应(Coulomb blockade effect) 量子隧道效应 (Quantum tunnelling effect) 宏观量子效应 (Macroscale quantum effect) 布洛赫定理 布洛赫定理指出了在周期场中运动的电子波函数的特点: 在一维情形下，周期场中运动的电子能量E(k)和波函数 必须满足定态薛定谔方程 k -------表示电子状态的角波数 U( x ) ----以a为周期的一维晶体的周期性的势能函数，它满足 a ---- 晶格常数 n -----任意整数 该方程的特解： 电子波函数 状态密度(density of state, DOS) 能量状态电子数N(E):在半径为n的球表面上能量为En的电子个数 由薛定谔方程(Schrodinger) 可得到电子能量En与主量子数的关系 能量状态电子数N(E) 状态密度(density of state, DOS)：单位能量的能量状态数 V为电子所占有的体积，V=a3. 能带中的状态密度D(E)与能量E的关系 状态密度 状态数 1D、2D及3D空间的离域电子数N(E)及状态密度D(E)与能量E的函数关系 尺寸与维数对金属纳米电子结构参数的影响 N(E) E D(E) E N(E) E D(E) E N(E) E D(E) E N(E) E D(E) E 3D 块材 2D 量子阱 1D 量子线 0D 量子点 从宏观到微观的电子数N(E)和态密度D(E)的变化 量子点：具有离散能级的纳米晶 尺寸与维数对金属纳米电子结构参数的影