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金纳米粒子的特性及其在纤维材料上的应用分析

近年来,由于纳米材料、纳米复合材料具有优于机械、物理、化学和生物的特

性,尤其是纳米添加剂的宽泛混溶性、高效添加和易加工性得到了广泛的应用和

高速发展,成为纺织材料、无纺、纤维、片和膜材料的重要创新生长点。纳米尺

度的金属微粒具有独特的表面特性和功能性,在纺织材料、印染等方面具有广阔

的应用前景。现对金纳米粒子功能性纤维及其表面等离激元效应的研究进展进行

简述,并探讨其在纺织材料方面的应用前景。

1.金纳米粒子的特征

金是自然界极少能以天然金属态分布的元素。金具有较高的金属物理性和化

学稳定性。这些性质早有文物和文献记载,早在古巴比伦文明时期、古埃及文明

时期,以及我国仰韶文化时期就己经掌握了金的加工及应用技术.

金的特性使金能被人们制成极薄的金箔、微粒、金溶胶和纳米粒子。

金纳米粒子有别于其他纳米颗粒,其实际应用具有极其悠久的历史,在古罗马

时期己有记载,利用其散射性,添加在玻璃制品中,使之不仅有各种颜色,更有光

变色效应;在公元前5世纪到4世纪,同样有微米级金溶液用于装饰品和陶瓷表

面染色的例子出现,在后期加热过程中纳米金会逐渐析出,得到特殊光变色效果;

与时间跨度长形成对比,金溶液由于其稀有性,在化学领域发展较为缓慢,随着新

的有机金属化学、纳米技术、络合物研究等相关领域的发展,金纳米粒子及其胶

体溶液才重新逐步被列为重要的研究对象。现以金纳米粒子及其胶体溶液在纤维

染色、表面处理、导电等功能性应用为基础,着重介绍金纳米粒子的光学、电学、

生物等3个特性。

1.1金纳米粒子的光学特性

1857年,Faraday还原水溶液,得到深红色的金纳米粒子溶液,同时Faraday发

现不同压力下溶液从蓝紫色到绿色的可逆颜色变化,这一现象使科学家对金纳米

粒子光学性质产生了新的认识。

1908年,Mie首先对金的表面等离子共振进行了解释,金纳米粒子的光学特质

很大程度上是由其表面的等离激元共振所决定的。当光作用在金纳米粒子颗粒上

时,如果照射光的频率与金电子的振荡频率相等,就会产生共振,宏观上表现为吸

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收某一波段的光,使肉眼看到吸收波段的补色。金纳米粒子吸收光谱表明,纳米金

的表面等离激元效应强烈依赖于金粒子的形状,和金纳米粒子胶体溶液的颜色直

接相关。其散射理论也研究了金壳厚度、芯尺寸、内外介质变化的光学效应,发

现金纳米粒子表面的等离子体在可见光谱和近红外光谱会产生一系列共振变化,

所以在宏观上能产生连续可调的颜色,在色度上呈梯度的金纳米粒子胶体溶液。

通过求解Maxwell-Uarnet方程,对球形金纳米粒子的表面等离子共振可定量,使

其峰位移动、峰形变化有规律可循,颜色调控更加精确。

1.2金纳米粒子的表面电效应

表面等离激元是金属表面区域的一种自由电子在电磁波和光子共同互作用下

形成的电磁震荡。当游离态电子空缺时,局部正电荷过剩,产生库仑吸引力作用将

电子拉回空缺,从面形成价电子在正电荷背景的密度起伏振荡,这种振荡受特定

边界约束、会产生周期性的调制。库仑力有长程性,导致局部密度起伏演变为整

个系统的纵向集体振荡,以波的形式表现出来。由于振荡波与导电气体中的等离

子振荡相似,所以称为金属中的等离子振荡,这种等离子振荡是决定金属光、电性

质的主要因素。

根据表面等离激元理论,可见光作用于金纳米粒子表面时,与共振波长同频率

的光被吸收并诱导表面电子集体共振。球型金纳米粒子等离子振动是各向同性的,

因为球体高对称,吸收峰单一,由球径决定,其胶体溶液一般呈红到红棕色。

棒状金纳米粒子由于长径比不同,有相异性,正负电子产生分离,有双极化方

向,形成了横向和纵向的等离子体振荡,各个方向上电子极化程度不同,产生两个

表面等离子体共振,导致了两个共振峰。随着长径比逐步增加,等离子共振吸收峰

逐步分离。高频率短波长共振峰由垂直于棒轴向的电子共振产生,称之为横向

SPR吸收,一般在510-530nm之间,位置变化较小;由沿棒轴向的电子共振产生

的吸收峰移动范围在可见近红外较宽波段内,为纵向SPR吸收。因此,球型金纳米

粒子溶液颜色变化较为单一,棒状金纳米粒子溶液宏观上可呈现蓝、绿、黄褐色

等不同颜色,通过细微的调整长径比,可以实现在可见光波段的任意量化调节,出

现粉红、深红、淡紫等传统结构色无法实现的颜色。金纳米粒子的表面等离激元

效应与粒子形状、大小、表面介电常数等密