钢结构组装范文

钢结构组装范文（精选12篇）

钢结构组装 第1篇

1 立柱研究

在很多应用实例及足尺试验研究的基础上,各国相关规范中分别提出了关于开孔立柱承载力及稳定计算的设计公式,并建议针对具体设计采用试验的方法来确定相应参数[1]。很多国内外学者对多孔构件的设计方法和准则进行了研究,并提出了不同的简化计算方法。不难发现,其实绝大部分有关多孔立柱的计算均是建立在有效宽度公式的基础上的,并采用试验方法和数值方法,对原有无孔构件有效宽度理论进行修正,从而建立起多孔构件有效宽度的计算公式,其中有一些研究成果已被一些国家规范所引用。

鉴以试验方法既费时费力又不经济,实际上,数值分析方法如有限单元法,现已成功地用于预测开孔截面的受力性能。很多国内外学者对开孔规则的立柱构件进行了数值分析,他们采用通用有限元软件ANSYS,ABAQUS等对开孔立柱进行有限元建模并分析,考察短柱和长柱在轴压及偏压作用下的承载力与破坏模态,分析偏心位置对立柱承载力的影响,考虑初始缺陷的影响以及几何非线性和材料非线性,同时对立柱边界的约束条件进行模拟,分析孔洞大小及位置对立柱的影响,得出了很多与试验相吻合的结论,并为理论研究提供了一定的参考[2,3,4,5]。此外,还有一些学者在尝试从理论上对开孔立柱进行研究分析。

孔洞的存在必然影响到立柱的受力性能,而孔洞的复杂性,不管是对于有限元建模、数值分析还是理论研究,都带来了很多困难。因此,往往需要对孔洞进行简化处理,目前孔洞简化处理的方法大体可分为两种:1)通过外包矩形或外接圆的方法将不规则的孔洞简化为较规则的矩形孔或圆形孔进行处理;2)等效厚度方法,即采用一定的原则,如最小截面积相等或承载力不变等,将开孔构件截面等效为无孔构件截面进行处理。前者往往用于有限元建模分析计算中,而后者则多用于理论计算分析之中。

在无孔冷弯薄壁构件的理论研究基础上,文双玲[6]针对多孔冷弯薄壁c型钢柱在轴心受压荷载作用下的弯扭屈曲,考虑弹性及非弹性状态,根据平衡法建立微分方程并采用差分法求解,提出了一种在柱中考虑孔的影响的简化方法——体积等效方法。在对冷弯薄壁卷边槽钢局部屈曲相关作用和畸变屈曲的分析中,陈绍蕃[7]分析指出,将两者结合起来考虑以方便设计,当卷边翼缘采用屈曲系数3.0,且卷边宽度足够大时,畸变屈曲不控制设计即可纳入局部屈曲计算之中,这为货架立柱选取适当的截面形式避免畸变屈曲提供了可能性。货架柱是压弯构件,为更好地了解立柱的特性,在冷弯薄壁钢结构偏心受压稳定理论的基础上,张卫国[3]提出了冷弯薄壁多孔货架立柱偏心受压的计算方法。为了从理论上更进一步了解开孔对构件承载力的影响,为优化结构提供可能,J.Michael Davies, Philip Leach, Angela Taylor[4]等致力于避开试验,考虑如何从分析上对开孔截面构件进行设计。他们采用了有限元分析和普通梁理论(GBT)两种方法,采用等效厚度法对开孔进行简化处理,得到了不错的结论,这也为开孔截面的理论计算提供了参考。开孔柱的极限承载力往往受其局部屈曲荷载及畸变屈曲荷载的控制,前面提到,可以通过一些构造要求将畸变屈曲纳入到局部屈曲中考虑。精确计算冷弯薄壁构件局部屈曲临界应力可以采用建立微分方程求解或有限元法,但这两种方法都比较复杂,难以用于日常计算。实用的方法是找出体现板件相互作用的约束系数,把它乘到板件的凸曲系数上,即可按单板的方法计算相关屈曲的临界应力。Iosif F.Szabo, Dan Dubina[5]等采用ANSYS有限元,对不同孔洞的板件进行分析,定义出不同开孔对板件承载力的降低函数,并在冷弯薄壁构件有效宽度计算的基础上进行修正,得到了开孔板件的有效宽度计算公式。同时提出了另一种替代方法——等效厚度法,即忽略孔洞,将开孔构件转化为无孔截面构件来分析。采用临界分支荷载损失法(ECBL),将开孔看作一种几何缺陷,引入缺陷对构件承载力的修正系数来考虑相关屈曲对开孔细长构件的影响,从而得到了开孔构件的相关屈曲临界荷载。

除自身构造特点的影响外,立柱的边界约束也对其承载力有很大的影响。考虑到立柱独特的梁柱半刚性连接和柱底板连接,其对立柱性能的影响不容忽视。梅宝兴[8]等学者针对组装式货架横梁的实际使用和受力特点, 提出了新的横梁承载计算模型和方法, 将梁柱节点看成是铰接与刚接的耦合体,并引入两者之间的比例系数p,通过一系列试验得出实际的p,用以指导货架设计。H.H.Lau, M.H.R.Godley, R.G.Beale[9]等研究了立柱底板连接对立柱承载力的影响,他们从理论分析和试验验证两方面入手,对一端铰接、一端有底板的立柱在轴向荷载和立柱中间一横向荷载作用下的性能,分析在不同情况下,柱带底板一端是按刚接处理还是按铰接处理,并研究了长细比对柱的承载力的影响,指出长细比大于100的柱的承载力高于欧拉临界力。货架立柱往往采用冷弯薄壁型钢,Jyrki Kesti,J.Michael Davies[10]等研究了两端刚接的冷弯薄壁短柱的受力性能,验证了EC3提供的短柱受压承载力预测的准确性,并指出边界条件对短柱的影响大于长柱。

2结语

作为货架钢结构的主要承重构件,立柱设计的好坏直接影响到整个货架结构的安全与否。对于货架立柱的研究包括试验、数值分析及理论研究三方面,但我们不难发现,在研究中引入了很多简化,如孔影响的简化处理方法,以短柱试验代替长柱试验或整体结构试验等等,这一切都会在不同程度上造成结果的不精确;另外,每位学者的研究大都集中在一种或几种特定的截面类型,比较分散,很难达到通用性,无法普及使用。特别是到目前为止,我国有关开孔构件的研究还相对较少,理论方面更是很少涉足,随着钢结构货架的普及,加工工艺的进步,立柱的截面类型越来越多,板的宽厚比也越来越大,基于以往经验进行货架设计越来越不可靠,又鉴以试验方法的缺点,这些都为开孔立柱构件的通用简化设计方法的提出提供了必要性。因此,对组装式货架立柱的性能还有待于进一步的研究。

摘要：详细介绍了到目前为止,国内外有关货架钢结构立柱的性能研究,从立柱自身构造特点及边界条件两大方面分析了开孔开口冷弯薄壁立柱特有的力学性能和破坏模式等,强调了进一步研究的必要性。

关键词：钢货架,立柱,孔洞

参考文献

[1]CECS 23∶90,钢货架结构设计规范[S].

[2]A.M.S.Freitas,M.S.R.Freitas,F.T.Souza.Analysis of steelstorage rack columns[J].Journal of Constructional Steel Re-search,2005(6):1135-1146.

[3]张卫国.冷弯薄壁多孔货架立柱的稳定性分析与研究[J].建筑钢结构进展,2006,8(2):37-42.

[4]J.Michael Davies,Philip Leach,Angela Taylor.The Design ofPerforated Cold-Formed Steel Sections Subject to Axial Load andBending[J].Thin-Walled Structures,1997,29(4):141-157.

[5]Iosif F.Szabo,Dan Dubina.Recent research advances on theECBL approach.PartⅡ:interactive buckling of perforatedsections[J].Thin-Walled Structures,2004(4):195-210.

[6]文双玲.轴压多孔冷弯薄壁c型钢柱的弯扭屈曲[J].土木工程学报,1996,19(1):72-79.

[7]陈绍蕃.卷边槽钢的局部屈曲和畸变屈曲[J].建筑结构学报,2002,23(1):27-31.

[8]梅宝兴,王转,翁迅.组合货架横梁承载的计算[J].起重运输机械,2004(12):30-32.

[9]H.H.Lau,M.H.R.Godley,R.G.Beale.The influence of baseconnectivity on the ultimate load of columns[J].Computers&Structures,2003(2):1827-1849.

钢结构组装 第2篇

功能纳米结构可控生长的新途径:非模板选择性自组装

文章介绍了一种非模板选择性自组装纳米结构的方法.从实验和理论上研究了两种有机分子在Ag单晶不同表面上的吸附行为,发现在Ag(775)基底上PTCDA分子会完全吸附在(111)台阶面上,而DMe-DCNQI分子则完全吸附在(221)台阶面上.该研究还阐明了PTCDA分子与基底原子之间的相互作用机制,提出了PTCDA与基底之间的相互作用是通过分子末端官能团的氧原子实现的,中心的.π共轭区域与基底相排斥,理论模拟得到的氧原子的NIXSW相干长度以及碳原子的近边X射线吸收谱与实验结果符合得较好.

作 者：杜世萱 季威 高鸿钧 DU Shi-Xuan JI Wei GAO Hong-Jun  作者单位：中国科学院物理研究所,北京凝聚态物理国家实验室,北京,100080 刊 名：物理  ISTIC PKU英文刊名：PHYSICS 年，卷(期)：2007 36(6) 分类号：O4 关键词：非模板自组装   选择性吸附   STM   第一性原理计算  

自己动手玩组装 第3篇

Will Dunn

Technology Will Save Us

DIY Speakers Kit

约320元 | technologywillsaveus.or

组装时间 2小时 难度系数

尽管这套DIY扬声器套件并不能教你从零基础开始制作你自己的电子产品所需要的任何数学知识或理论方法，还是让我觉得用户DIY组装未来或许会成为一种趋势。仅仅依靠错误的说明和我有限的常识，我就能把它组装完成，因此可以说它是完全傻瓜化的，而你在为共鸣发声单元选择共鸣板的时候，通过从书桌到窗前或者金属箱（我推荐用葡萄酒木箱）的不断实验，创造力真的会迸发出来。花钱不多，满足多多。

Mark Wilson

CoasterDynamix

Scorpion过山车模型

约2000元 | coastershop.de

组装时间 11小时10分钟 难度系数

我童年的大部分时间都在玩模拟游乐场，而玩Scorpion一直是我的梦想计划。那是经典的、带四处反转大回环的、重力驱动的悬浮过山车，而这个版本就是它针对14岁以上玩家的“高级”模型。不需要胶粘或焊接，只要手指有点劲，加上一把螺丝刀，便能将它的支柱和橡胶轨道组装停当。它高达0.7米高，蔚为壮观，可惜由于我小小的失误，组装好的Scorpion前面不得不挂上一块令人沮丧的标牌——“维修期间，暂停营业”。

Fraser Macdonald

Haynes Combustion

Engine Kit（内燃机套件）

约280元 | amazon.com

组装时间 6小时 难度系数

在你提问之前我先明确告诉你：它不是真正的内燃机。在塑料模型中进行实际的点火和压缩过程听上去就极不明智。此外，它的材质也给人有点廉价的感觉。尽管如此，组装时还是需要一些过硬的工程学知识的。一旦组装好了，这一套件可以演示四冲程循环全过程，包括按正确程序启动凸轮操纵的阀门和点燃火花塞。提醒你注意，由于它的转动曲柄是由“变速箱”里的电池马达驱动的，它是后退的——无论如何组装过程是非常有益的训练。

Esat Dedezade

Solar-Powered

Wind Turbine（太阳能风力涡轮机）

约330元 | nauticalia.com

组装时间 8小时 难度系数

准备一副三节式磁指套、一把珠宝匠专用的潜望放大镜，用它们来组装这个套件很有帮助，因为它包含约200个6mm大小的细小部件。哦，它还有唯有埃舍尔那样的智慧头脑才能弄明白的、笨拙的安装说明。耐住性子坚持下去，看看最后有什么新发现？理论上说，太阳能并不为风力涡轮机提供能量，那该是风能的职责。而从现实的角度说，由于英国光照不足，难以支持小小的太阳能板，太阳能也的确无法为风力涡轮机提供能源。你可以专门为它加个60W的“太阳”，不过我们想到阳光明媚的其他地方试试运气。

Ross Presly

乐高Technic 42000

Grand Prix Racer

（赛车模型）

约760元 | lego.com

组装时间 5小时11分 难度系数

我的目光左右穿梭，手臂伸展开去，手指使劲捏着：一只手里拿着车轴，另一只手里攥着3×3的T型梁和连接栓。我心底深处的部件定位能力被唤醒了——感觉不错，一切都来得浑然天成。 拼接V8，组建后轮防滑差速器，安装悬挂系统，带回了我久已忘却的记忆。猛然回过神来，发现自己正在组装Technic离合器，那种新颖的感觉从未有过。这一过程的关键词就是学习、机械知识和力量。小孩子们玩乐高玩具简直是浪费。

Marc McLaren

Robotis Ollo Inventer Kit（机器人套件）

约1740元 | robotis.com

组装时间 4小时32分 难度系数

“Ollo 是面向孩子们的，应该很容易。”我想。没错。它的包装盒上可能标着“适合10岁以上玩家”，不过这个机器人组装和编程套件是24模块组装过程的一部分，而我直接跳到了第22个模块。此外，麦卡诺钢件结构式的玩具部件明显是为比我手小的人设计的，微型铆钉总是很容易嵌进我的指甲里。可组装完毕的成品看起来很棒，等我最终努力安装好PC专用软件后，我的“Battle Bug”（战蚁）如我所愿四处活动起来了。

Simon Osborne-Walker

ThunderTiger Naulantia（航海模型）

约1420元 | cornwallmodelboats.co.uk

组装时间 7小时 难度系数

钢结构组装 第4篇

关键词：KF60AK型自动倾翻车,车体,钢结构,制造工艺

1 KF60AK型自动倾翻车结构特点

KF60AK型自动倾翻车 (该车轴重25 t、载重60 t) 车体由车体底架、倾翻装置、上部车厢组成。车体底架采用通长鱼腹型变截面厢型结构底梁, 腹板与下盖板组焊的小枕梁结构, 整体折弯枕梁上盖板, 铸造气缸架、人支承、方支承, 整体折弯端梁, 花纹地板。倾翻机构采用铸造抑制肘、铸造大折页。上部车厢组成采用通长的工字型钢小中梁, 大、小横梁采用H型钢, 小中梁与大、小横梁组焊而成, 底板与各梁件之间采用铆钉连接, 侧壁、端壁组成采用板柱式组焊结构。鱼腹型中梁底架的组装技术、上部车厢铆焊组装技术、倾翻机构的合理组装技术都给整车的制造质量带来了很大难度, 每一步完整的工艺过程都离不开先进的生产设备和严格的工艺要求。

2 车体钢结构制造工艺

KF60AK型自翻车车体制造工艺流程见图1。

2.1 车体底架组成

从KF60AK型自翻车大部件设计图纸来看, 该车采用鱼腹型工字钢与上下盖板组焊而成的变截面厢型结构中梁, 在牵枕位置加补强板与通常中梁塞焊连接。枕梁为腹板与下盖板组焊的变截面厢型结构, 枕梁上盖板采用通长的过中梁整体折弯结构。端梁采用变截面的整体折弯结构。气缸架、人支承、方支承等均为铸钢结构。组装完成后要整体控制底架的长度、挠度、扭曲、对角线差等尺寸。

2.2 组装工艺流程及工艺措施

车体底架组装工艺流程见图2。

单片中梁严格按照工艺卡片进行下料, 鱼腹梁的切割、焊接严格按照工艺要求执行, 单片腹板流入下一工序前必须做好检查工作, 确保满足工艺要求。底梁组成的组装在专用的工字梁组装胎位上进行, 中梁与隔板、心盘座等先进行组装, 使用组装胎位的专用夹具进行夹紧, 焊接过程按照焊接工艺卡片的要求严格执行。上下盖板与底梁上下翼边焊接完成后要对高出盖板平面的焊缝区域进行打磨, 确保上下拉板与各补板的焊接面平整, 以保证倾翻机构组装的精确度要求。

底梁交验过程最为关键, 要通过塞尺、卷尺、紧线器等测量整个中梁的上挠度、旁弯、甩头、垂头等参数, 确保中梁质量符合技术要求。其中, 中梁上挠度应该控制在2~12 mm;旁弯全长范围内不大于5 mm, 每米不大于3 mm;甩头、垂头均小于5 mm。使用塞尺测量心盘面间隙前后不得大于1 mm, 左右不得大于0.5 mm。气缸架组装过程中需使用专业的定位夹具定位, 保证气缸架组装后同侧气缸架高度差不大于5 mm。车体底架枕梁组装完成后要对枕梁对角线差进行测量, 需满足工艺要求。整个底架组装完成后, 两心盘间应保证有2~12 mm的上挠度。

在底架翻转胎位上进行焊接中, 要尽量将立焊缝等焊接要求较高的焊缝转化成平焊缝进行焊接, 以保证焊接质量, 以防焊接变形, 翻转过程中使用卡兰等装置将中梁、牵引梁等部位夹紧, 保证翻转机与底架均衡翻转, 以防止翻转过程中中梁出现甩头、旁弯等现象。

3 车厢组成

3.1 车厢底架制造

车厢底架组装在专用的底架组装胎位上进行组装, 小中梁划线确定车体中心线、枕梁中心线位置, 使用气动压紧风缸夹紧工字钢小中梁, 首先将槽钢侧梁吊入底架组装胎位, 上下前后夹紧, 保证侧梁与中梁在同一平面上, 然后再将大横梁、辅助横梁、顺梁依次吊入组装, 小中梁与侧梁预制10~16 mm的上挠度, 确保底架组装后有2~12 mm的整体上挠度, 大横梁与辅助横梁的组装上平面不得高于中梁上平面。底架组成在经过翻转焊接后需对底架进行矫正, 确保对角线差不大于12 mm, 再铺设地板, 地板与底架的组装采用铆接结构, 铆钉位置要严格按照图纸要求, 以避免铆接位置偏移。

3.2 侧壁组对制造

侧壁结构为板柱式, 侧壁板与侧柱为组焊结构, 在侧壁组装平台上完成, 首先将侧门板吊至组装胎位, 然后再吊入折页在其胎位上定位安装, 折页组装使用定位块定位, 减小定位误差。上檐梁为一根通长的槽型钢, 下檐梁是分段的槽型钢结构, 折页的顶部使用螺栓先将其与上檐梁连接, 下檐梁与折页座也使用螺栓连接, 以便最后进行铆接。各侧筋柱的焊接需要使用气动压紧装置对侧筋柱压紧进行焊接, 减少焊接变形和侧壁的旁弯, 最后在侧壁组装焊接、铆接完成后对侧壁进行矫正。

3.3 车厢组成组装

在上部组装工位上组装车厢组成, 去掉预连接的工艺螺栓, 使用铰孔机扩孔, 将端、侧壁上的各铆接孔位对正, 使用工艺螺栓连接, 铆接过程中依次换掉螺栓, 最后安装端部抑制肘, 端部抑制肘都是短腿, 与人支承配合, 抑制肘的安装必须保证其纵向中心线与折页纵向中心线误差不大于3 mm。侧壁安装完成后需要保证侧壁与地板间的间隙为均匀的5~10 mm, 以保证倾翻过程中侧壁无卡死、停顿等现象, 折页与抑制肘上滚子的配合处需要密贴, 并且不能像一侧偏移中心线差不得大于5 mm。

4 倾翻机构组装

自翻车倾翻机构采用大折页机构, 结构包括折页、抑制肘、抑制肘滚子、环头丝杆、弹簧等, 机构安装过程中抑制肘与弹簧的安装采用反装法, 安装后保证弹簧的长度为280±10 mm, 抑制肘安装后要保证其与支承的A面、C面接触, 不接触的必须加垫板调整, 保证局部间隙在20 mm内不得超过5 mm。上部车厢组成落到底架上必须保证折页端部与抑制肘滚子在B面接触, 接触面积需大于滚子宽度的70%。

在落车调整时需要进行倾翻试验, 在倾翻试验过程中, 随着车厢底架倾翻角度的不同, 侧壁相对于车厢地板的角度也随之改变, 利用倾翻风缸内压力空气的压力顶起车体, 使车厢产生倾翻, 倾翻过程要平滑、顺畅。

5 车体钢结构落成

落车前先检查车体底架的上挠度、车体长度、车辆定距、对角线差是否满足技术要求, 符合标准后将车体底架吊入组装胎位, 保证上心盘面在同一水平面前后左右无间隙。最后, 将车厢组成落在车体底架上, 落成后检查转轴上座与转轴的接触是否良好, 其局部间隙不得大于2 mm;车体底架中心线与车厢中心线两者偏差不得大于5 mm;车体底架上支座与车厢底架中梁是否接触, 其局部间隙不得超过2 mm;抑制肘要求与人支承、方支承等支承面接触, 其局部间隙在20 mm内不得大于5 mm;折页端部要求与抑制肘滚子接触, 接触面不得小于折页宽度的70%;车辆倾翻角度为45°±3°, 倾翻后地板与侧门板的平行度允差不大于3°。

6 结论

电脑组装机,电脑组装机介绍 第5篇

电脑要装CAD，PRO-E和其它工程设计软件，是组装的好还是买品牌机好啊，如果要买组装的话因该组装什么样的，大概要多少票票啊，买品牌机的话什么样的比较合适我呢?需要多少大洋?(备注：4000上下，偶太高的承受不了，呵呵)

做设计的电脑做好是用组装的，4000元左右就可以配一个基本满足设计要求的电脑。

为什么选组装的，

一、花同样的钱，电脑组装机的性能是高于品牌机的(电脑组装机相对来说配件便宜些，一样的钱可以买到性能更好的配件)。

二、电脑组装机可以根据实际使用情况来加强某个性能，例如3D设计对显卡，CPU要求较高，可以适当提高这两个的配置，降低其他配件。而买品牌机的话4000元是买不到设计用的电脑的，

另外，组装电脑方便以后更新。你在读书，现在的电脑用2-3年做为过度，以后大洋多了，可以配个更好的电脑，在现有基础上增加一些配件的档次就可以了，不需要全部换新的。

买组装电脑唯一的缺点是需要使用者有一定的电脑基础，能处理平时一些小问题。买的时候选一家售后支持能力强的公司会好些，可以经常打电话去问

品牌机

优点：稳定性强，有良好的质量保证，服务好，只要一个电话就上门服务

缺点：机箱不能自由打开，即使有很小的毛病也不能自己动手，关键的时候容易误事

适用于电脑初学者或者上门服务比较迅速的地区

电脑组装机

优点：相对同配置品牌机价格低廉，配件选购自由，拆装自由，适合DIY

缺点：任何毛病都要自己动手，初步估计问题后，独立联系电脑公司，绝对让你跑断腿

学习拆解和组装句子 第6篇

台湾作家琦君的散文，被收入多种语文教材。《故乡的桂花雨》和《春酒》是她的名篇，很多初中生可能读过。这两篇散文语言品质很高：简洁、优雅、清新，表达鲜明，有珠玉的质地。

为什么会产生这样的表达效果?琦君作品的语言魅力来自哪里?我仔细读了她的这两篇散文，发现她的作品句子很简短。作者尽量用简短的句子表达信息，尽量让每一个要表达的信息，都独立呈现，耳语义前后勾连贯通。在她的作品中，那种多个信息纠缠在一起的长句，很少见到。我们以她的《春酒》为例，品析一下她的语言韵味。随便举一个例子：

我喝完酒回来，母亲总要闻闻我的嘴巴，问我喝了几杯酒。

这句话里，有三个短句，每个短句表达一个信息，三个短句三个信息：一是我回来。二是母亲闻我的嘴，三是母亲问我。三个信息彼此独立，又前后联系紧密，鲜明突出。如果换一种表达方式，把句中的两个逗号随便去掉一个。就会出现两个信息连在一起的长句，表达就显得不简洁、不鲜明了，因而也不清新了。

八宝酒，顾名思义，是八样东西泡的酒，那就是黑枣(不知是南枣还是北枣)、荔枝、桂圆、杏仁、陈皮、枸杞子、薏仁米，再加两粒橄榄。要泡一个月，打开来，酒香加药香，恨不得一口气喝它三大杯。

这一段话里，句子精短，主要信息都独立表达，绝不夹缠，并且没有多余的字词。顺便提一下，作者连续列出八样东西中的七种，第八种却单独列出：“再加两粒橄榄”。这样，除起到强调作用外，语调有了摇曳顿挫之感，有了喜悦兴奋的气息。要比八样东西连续列出显得活泼灵动。学语文读课文时，对这种语言的精巧处，应仔细体会。

我们再举两个例子，与《春酒》的语言对比一下。

胡杨林是牲畜天然的庇护所和栖息地，马、鹿、野骆驼、鹅喉羚、鹭鸶等百余种野生动物在林中繁衍生息。

这句话的后半句中，有三个信息：一是地点——林中，二是事情——百余种野生动物繁衍生息，三是动物名称。这三个信息用一个长句表达，纠缠在一起，显得不简洁，也不鲜明。如果我们仿照《春酒》的表达方式，对句子进行拆解，重新组装，尽量用精短的句子表达信息，并且让主要信息独立呈现，又前后勾连，看会是什么效果：

胡杨林是牲畜天然的庇护所和栖息地，林中繁衍生息着百余种野生动物，有马、鹿、野骆驼、鹅喉羚、鹭鸶等。

这样语言是不是更清新些?再看：

斯文·赫定在20世纪30年代进罗布泊时还乘小舟。他坐着船饶有兴趣地在水面上转了几圈……

这里的两个句子都比较长，都是多个信息合在一起表达。现在我们也仿照《春酒》的语言形式，对其进行调整，把长句拆解开后再组装，让主要信息独立呈现：

20世纪30年代，斯文·赫定进罗布泊时，还乘小舟。他坐着船，在水面上饶有兴趣地转了几圈……

这样表达，和原句相比，意思没有改变，但语言是不是眉目更清楚一些?眉目清楚了，才会显得眉清目秀。并且句子拆解组装以后，“年代”、“船”、“水面”这些核心信息更突出。

学习琦君散文的语言特点，写作文时，特别是修改作文时，试着把那些僵硬的长句拆解开，再组装，让主要信息从长句中独立出来，相信你的作文语言一定会面目一新，变得眉清目秀。这样做并不难。开始练习的时候，先从四个方面着手：一是重视使用逗号，把长句子点成短句子；二是注意把表示时间、方位之类的词语，从长句中提取出来，单列；三是如果发现一句话里有多个信息，就试着重新整理句子，把几个信息拆解开，让其独立呈现；四是组装句子时，注意意思前后连贯呼应，语意不能错位、断裂。学习对句子进行拆解和组装，寻找妥帖的、自己喜欢的表达方式，能训练敏锐的语感，理解汉语的趣味，发现汉语的魅力，提高写作和阅读能力。

钢结构组装 第7篇

生物医学领域中,组织工程是一个快速发展的新方向。骨组织工程可以为骨组织修复提供环境和材料,因而为骨折治疗提供了新的手段。最近的研究表明,细胞&材料复合体的结构,如机械强度、超微结构等,越接近目标组织的结构越有利于细胞生物功能的执行。与传统生物材料相比,复合材料体系具有下列优点:1全部由生物性成分组成,生物相容性好,无明显毒性,易代谢,无明显排异反应;2复合结构与目标组织结构相近;3含水量高,营养物质易于运输,代谢废物易于排出;4制备简单、可进行功能再设计,结构可接受更多的材料组合;5复合材料体系单个单位体积较小,适于微创手术操作[3]。

本实验拟在前期研究的基础上,研究复合材料体系(自组装多肽/珊瑚/BMP-2)在体外的对种子细胞BMSCs的生物学行为的影响,以期为骨组织工程打开新的思路。

1. 材料与方法

(1)多肽分子的合成

RADA16:ACN-RADARADARADARADA-CONH2o

(2)多肽的溶解

将90ml去离子水与10g蔗糖混合,待蔗糖完全溶解。将其分装与两个50ml离心管中。将10mg自组装多肽粉末与1ml蔗糖溶液混合于2ml微型管中。在37˚C恒温下,悬浮超声自组装多肽溶液30min。

(3)多肽的自组装

将经过超声处理的多肽溶液500ul至于2ml新的微型管中。将两个微型管放置于温箱中,37˚C孵育30min取出微型管,倒置并观察多肽自组装的情况。按1:1的比例向两个微型管中各加入500ul的DMEM/F12培养基,用200ul吸量管枪头轻轻吹打,使多肽溶液和DMEM/F12培养基充分混合。多肽溶液终浓度为0.5%。将两个微型管再次放入温箱中,37˚C恒温孵育2~3h。取出微型管,再次观察自组装多肽的成胶情况,并取少量自组装多肽溶液置于载玻片上,可选择加入0.lmol/L Ca Cl2溶液促进自组装,观察多肽自组装的情况。

(4)珊瑚微结构的观察

将珊瑚用手锯,切割成5×5×5mm的立方体,超声去除孔隙中的杂质,高压蒸汽灭菌后,样本镀金处理,通过扫描电镜(冷场)检测,放大倍数控制在50~100倍。用Topomatrix图像分析软件对检测结果进行分析。

(5)自组装多肽凝胶支架超微结构观察

将之前制备完成的RADA16溶液再次超声处理20min,加入相同体积的DMEM/F12细胞培养基,其目的是触发多肽的自组装。使用冷冻真空干燥法干燥6h或梯度乙醇脱水法,使其外观呈黏样粉末状。样本镀金处理后,通过扫描电镜(冷场)检测,放大倍数控制在7500~10000倍。用Topomatrix图像分析软件对检测结果进行分析。

(6)复合材料体系超微结构观察

将RADA16与BMP-2溶液等比例混合(1:1),再将其浸没珊瑚,加入相同体积的DMEM/F12细胞培养基,其目的是触发多肽的自组装。使用冷冻真空干燥法干燥6h或梯度乙醇脱水法。样本镀金处理后,通过扫描电镜(冷场)检测,放大倍数控制在7500~10000倍。用Topomatrix图像分析软件对检测结果进行分析。

(7)统计学处理

进行数据分析(SPSS 11.0统计软件),数据使用均数土标准差(x±S)表示,复合材料体系(实验组),RADA16+BMP-2(对照组1)和珊瑚+BMP-2(对照组2)之间的比较采用标准t检验,α=0.05为检验标准。

2. 结果

(1)多肽分子合成

成功合成了多肽分子RADA16

使用用高效液相色谱仪(HPLC)和质谱仪(MS)进行纯化和分析。

多肽分子RADA16的分子量为1712.79Da,纯度为95.12%。

(2)多肽自组装形成凝胶多肽

RADA16溶解后形成无色透明水凝胶,微形管倒置30min后凝胶仍紧密黏附于管底,无滑脱;为了进一步观察多肽自组装的情况,我们将RADA16多肽溶液置于载玻片上,用Ca Cl2溶液促进其自组装。RADA16多肽溶液在Ca Cl2溶液触发下形成无色粘弹性凝胶。

图3.10000倍RADA16自组装多肽凝胶扫描电镜下观䯖纳米纤维及片层样规则结构形成、

图4.10000倍扫描电镜下观䯖骨形态发生蛋白BMP-2均匀附着于RADA16自组装多肽凝胶上、

(3)珊瑚微结构的观察

珊瑚于电镜下呈多孔状结构,孔隙排布紧密,大小均匀,孔隙大小从200um到500um不等。

(4)自组装多肽凝胶超微结构观察

为使得自组装多肽不至在高温下变性融化,我们选用冷场扫面电镜观察自组装多肽凝胶的超微结构。冷场扫描电镜真空室内温度接近室温,与热场扫描电镜真空室500˚C左右的高温相比,更适用于生物材料的检测。扫描电镜图像显示:多肽RADA16自组装形成纳米纤维及片层堆叠结构(RADA16,凝胶纤维直径D=13.2±1.6nm)。其长度从几百纳米到几微米不等。

(5)复合材料体系超微结构观察

为使得自组装多肽及BMP-2不至在高温下变形融化及失活,我们选用冷场扫面电镜观察自组装多肽凝胶的超微结构。冷场扫描电镜真空室内温度接近室温,与热场扫描电镜真空室500˚C左右的高温相比,更适用于生物材料的检测。扫描电镜图像显示:自组装多肽的纳米结构分布于珊瑚的空隙中,而在自组装多肽的纳米架构上,均匀黏附着骨形态发生蛋白颗粒。由此,珊瑚,自组装多肽,骨形态发生蛋白三者形成了层层递进的超微复合材料体系。

3. 讨论

在兼顾了骨折传统治疗的基础上,组织工程,特别是骨组织工程为骨折的治疗开辟了一个崭新的前景。正如之前所提到的,对于组织工程而言,主要包括如下基本元素:生物材料,种子细胞和调控因子。这三者组合在一起,能在体外模拟组织再生的条件,从而达到修复组织损伤与退变的目的。

通过组织工程学的原理来修复创伤,特别是骨折,已成为目前学界的研究热点。而组织工程三要素中,构建具有良好结构和生物学活性的支架材料,却一直是组织工程的难点之一。在以往的研究中,被用于骨组织重建再生的材料有很多,如藻酸盐、壳聚糖等。这些材料虽然能呈现出一定的,促进细胞黏附,增殖和细胞分化的性能。但相对与人天然骨组织的性能而言,还远远不够。故构建出具有优良生物学活性,同时能提供合适的微环境给种子细胞增殖分化的生物材料就成了目前的主要研究方向[4~5]。

自组装多肽纳米纤维凝胶的自组装机理如下:肽是由氨基酸经由酰胺键连接的短的低聚物。氨基酸是组成蛋白质和肽天然积木结构[6]。氨基酸包括胺,羧酸和官能团以及独特的侧链。共计大约20种不同的氨基酸,以及20种不同的侧链,这些赋予了其独特的性质和可变性。存在于氨基酸侧链的差异使它们能够按照它们的化学组合被分成不同的类别,例如疏水性/亲水/脂族/芳族或中性/正/负电荷。氨基酸之间的众多相互作用也使得其能发展出复杂的自组装纳米结构。这些类型的相互作用包括氢键,静电相互作用,疏水相互作用,芳族相互作用(π-π堆叠)和范德华力[7]。人们利用氨基酸变化的特性操纵肽的自组装,以此来设计新的功能性生物材料。即自组装多肽纳米纤维凝胶[8~9]。自组装多肽纳米纤维凝胶不仅具备原来多肽分子的生物性能,由于其规则排列形成的三维超微结构,使得其还具有更接近于天然结构的材料性能[10]。

珊瑚作为一种天然材料,主要成分为羟基磷灰石,其成分与骨组织的刚性成分较为相似,而其孔隙结构具有较高的孔隙率,无论对活性成分或是种子细胞都有很好的容纳性质。珊瑚已在口腔科和颌面部修复方面有着广泛的应用,而在此系统中,珊瑚作为整体结构中的刚性成分,保证了整个系统的强度,同时对骨折两侧短端的连接作用也有助于骨折的修复。RADA16(Pura Matrix)是一种由(R,精氨酸)和(A,天门冬氨酸)这两种阳性和阴性氨基酸分别交替组成的自组装多肽。RADA16多肽可以在适宜条件下自发的发生分子间自组装形成有序三维纤维凝胶支架[11~12]。其已被广泛应用于药物缓释,细胞三维培养及组织再生。RADA16作为整体结构中的柔性成分,其作用主要在于在珊瑚刚性结构的保护下,在其孔隙中形成自发的三维结构,一方面增加了珊瑚孔隙的表面积,另一方面其生物活性特性有助于提供种子细胞更适宜的生长微环境。研究表明,BMP-2在调节因子方面,骨形态发生蛋白无疑是最理想的选择之一。其能够在人体内诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化,也在体外实验中被证实。研究发现,符合了骨形态发生蛋白的骨移植,其效果,好于单纯的骨移植治疗。所以其在系统中,承担下了微环境中生长因子的重要职能[13]。

钢结构组装 第8篇

1 靶细胞给药中应用的纳米结构及其构建单元

1.1 脂质体

脂质体是一种人造的具有磷脂膜纳米结构的囊泡, 其结构单元 (两亲性分子) 可以是一些经过处理 (例如超声) 的生物膜而产生的天然磷脂, 因此也会包含多种混合的表面活性剂性质。脂质体的结构主要分为3大类: (1) 大的单层磷脂膜囊泡; (2) 小的单层磷脂膜囊泡; (3) 多层膜结构囊泡[4,5]。

1.2 聚合物囊泡

聚合物囊泡 (图1) 是一种由高分子聚合物脂质体自组装的人造双层膜纳米结构囊泡, 其直径范围为100 nm~10 m。聚合物囊泡的构建单元为两亲性合成嵌段共聚物, 在适当的外界条件下, 这些纳米粒子在溶液中可以自组装成细小的空心球结构。聚合物囊泡结构性质与脂质体相似, 但是与脂质体相比, 聚合物囊泡因其高分子的单元结构而具有着更好的稳定性及更低的磁导率。目前为止, 许多药物、蛋白质、基因、疫苗等都可以由聚合物囊泡来装载运输[6]。

1.3 球形胶束

当两亲性纳米粒子的亲水性尾部的体积与疏水部分横截面和亲水性尾部长度的乘积的比值小于1/3时, 纳米粒子不再自组装为囊泡, 而是球状胶束。球状胶束指的是两亲性的表面活性分子在液态胶体中的聚集物。球状胶束的一个典型的纳米结构就是两亲性的表面活性分子的亲水基露在外面与周围溶液接触, 胶束的中心则是两亲性分子的疏水基。

双层膜内外两侧部分为两亲性分子的疏水部分, 双层膜中心部分两亲性分子的亲水部分

相比而言, 球形胶束的体积远远小于聚合物囊泡和脂质体, 可以更轻易地穿过各种生物膜及细胞间的缝隙。但由于其内部为疏水基集团, 所以只能封装疏水性分子[6]。

1.4 自组装纳米管

通常情况下, 有三种自组装纳米管在药物运输研究领域应用比较广泛, 分别为:脂质体纳米管 (内径大约500 nm, 长度50~200 m的多层膜结构的纳米管) , 折叠多肽纳米管 (外径约14 nm, 内径约8 nm, 膜厚2~3 nm, 长度几微米的单层膜纳米管) , 环状多肽纳米管 (内径0.4~1.3 nm, 膜厚0.2~1 nm的单层膜纳米管) 。纳米管的大小和自组装都受外界环境条件的控制[7]。见图2。

左侧为脂质体纳米管, 中间为折叠多肽纳米管, 右侧为环状多肽纳米管

2 药物运输自组装纳米结构的控制条件

用于自组装纳米结构靶向给药的控制条件有很多, 例如氧化还原敏感纳米结构, 磁场敏感纳米结构, 温度敏感纳米结构以及p H敏感纳米结构。通常靶向给药的载体为温度敏感和p H敏感的自组装纳米结构, 例如PMPC-PDPA[8]。

2.1 p H敏感

通常情况下, p H敏感纳米结构的自组装分两种情况。第一种情况是当纳米颗粒的溶液的p H值高于临界值时, 纳米颗粒开始自组装为纳米结构, 并且包裹药物, 当周围环境的p H值降低到临界值以下时, 纳米结构会被破坏, 然后释放药物, 或条件相反。第二种情况是, 当溶液的p H变化时, 自组装纳米结构的大小和结构会发生改变, 从而影响其内部的药物释放速度。

人体中不同部分的p H值有所区别, 因此p H敏感的自组装纳米结构更容易被用于靶向给药。例如, p H敏感的自组装纳米结构被用来装载和运输治疗癌症的化疗药物, 因为肿瘤细胞的p H略低于周围的正常细胞, 这样选择性释放化疗药物不仅可以避免其伤害健康组织, 也能提高药物的利用率[9,10]。

2.2 温度敏感

应用于靶向给药的温度敏感的纳米粒子通常表现为在低温条件下会完成自组装, 当温度满足临界值时, 纳米颗粒的集团会被溶解, 从而释放药物。但在现代靶向给药应用中, 生物体的温度很难被控制, 尽管一些组织或细胞的温度会与其他部位有微小的差别 (例如肿瘤细胞比正常细胞温度稍高) , 但是由于差别过于微小, 很难控制药物的释放。因此, 如何控制某一部分组织的温度是解决问题的关键。一些科学家尝试着通过利用物理方法 (例如超声) 去加热靶向组织, 并且有很好的效果[10]。

3 讨论

本文介绍的靶细胞给药装载纳米材料都有一个共同的性质, 即自组装。自组装的意义就是, 在溶液中, 能够在特定的条件下, 由单分子自我组装成一个特殊的纳米结构。应用自组装纳米材料来运输药物的关键在于, 纳米材料能够保护药物通过恶劣的人体内环境和免疫系统的攻击, 并且在适当的条件下, 把药物释放在所需要的组织或者器官。作为一种国际上非常热门的靶细胞给药方法, 自组装纳米材料已经通过许多形式体现出了其靶细胞给药的潜力。

理想中的靶细胞给药纳米材料需要具备以下两个关键要素:一是如何在组织和器官中释放药物, 确保对靶向细胞有较高的治疗效果。二是如何控制自组装纳米结构内药物的释放才能降低或者避免副作用, 这是最重要的。

如果投入临床使用, 纳米材料靶细胞给药需要实现有利于药物吸收以及精准运送药物到靶向细胞的效果。十几年来, 各种外界刺激敏感纳米材料以及一些多官能纳米粒子在纳米材料靶细胞给药研究领域中得到了广泛应用, 如高分子化合物囊泡、脂质体、纳米胶束、纳米管等。常用的外界刺激敏感纳米材料包括酸碱度敏感、温度敏感、电磁敏感以及氧化还原敏感纳米材料。如果纳米材料靶细胞给药投入应用, 将会解决许多医学难题, 包括广泛应用在一些绝症的治疗, 比如说癌症和糖尿病[11]。

由自组装纳米颗粒 (如脂质体、聚合物囊泡、球形胶束、自组装纳米管) 组成的纳米机构载体是一种飞快发展的高科技纳米材料, 它将广泛应用于药物体内运输系统。利用这些纳米材料的性质, 可以通过控制它的组装和分解或者是膨胀和收缩来控制装载药物的释放速率。

此外, 自组装纳米载体不仅可以使药物在进入目标组织前不释放入体内, 还能保护某些药物 (如酶、激素、基因等) 免受抗体或者体内一些恶劣环境的摧毁[12]。

在不久的将来, 自组装纳米材料将广泛应用于现代医学中, 并且能够有效的治疗或辅助治疗一些“不治之症”。

参考文献

[1]Breitenkamp K, Sill K, Skaff H, et al.Polymeric micelles for drug delivery:US, 08426477[P].2013.[2]Kavitha T, Abdi SIH, Park SY.pH-Sensitive nanocargo based on smart polymer functionalized graphene oxide for site-specific drug delivery[J].Phys Chem Chem Phys, 2013, 15 (14) :5176-5185.[3]Calija B, Cekic N, Savic S, et al.pH-sensitive microparticles for oral drug delivery based on alginate/oligochitosan/Eudragit (R) L100-55"sandwich"polyelectrolyte complex[J].ColloidsSurf B Biointerfaces, 2013, (110) :395-402.[4]Suzuki H, Komoda Y, Katsuda T.Producing liposome used for delivering active drug substance e.g.anticancer agent, involves introducing phospholipid dispersion liquid and gas into microchannel and mixing phospholipid dispersion liquid and gas within microchannel:UNIV KOBE NAT CORP (UYKONon-standard) , WO2012098937-A1[P].2012.[5]Yang YQ, Zhao B, Li ZD, et al.pH-sensitive micelles self-assembled from multi-arm star triblock co-polymers poly (epsilon-caprolactone) -b-poly (2- (diethylamino) ethyl methacrylate) -b-poly (poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate) for controlled anticancer drug delivery[J].Acta Biomaterialia, 2013, 9 (8) :7679-7690.[6]Agut W, Brulet A, Schatz C, et al.pH and temperature responsive polymeric micelles and polymersomes by self-assembly of poly 2- (dimethylamino) ethyl methacrylate-b-poly (glutamic acid) double hydrophilic block copolymers[J].Langmuir, 2010, 26 (13) :10546-10554.[7]Lai ST, Zhang W, Liu F, et al.TiO2 Nanotubes as animal drug delivery system and in vitro controlled release[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013, 13 (1) :91-97.[8]Lomas H, Du JZ, Canton I, et al.Efficient encapsulation of plasmid DNA in pH-sensitive PMPC-PDPA polymersomes:study of the effect of pdpa block length on copolymer-dna binding affinity[J].Macromolecular Bioscience, 2010, 10 (5) :513-530.[9]Wang YC, Li PW, Peng Z, et al.Microencapsulation of nanoparticles with enhanced drug loading for pH-sensitive oral drug delivery for the treatment of colon cancer[J].Journal of Applied Polymer Science, 2013, 129 (2) :714-720.[10]Xiong W, Wang W, Wang Y, et al.Dual temperature/pH-sensitive drug delivery of poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) nanogels conjugated with doxorubicin for potential application in tumor hyperthermia therapy[J].Colloids and Surfaces B-Biointerfaces, 2011, 84 (2) :447-453.[11]Bae YH, Lee ES, Na K.pH-Sensitive mixed polymeric micelle composition, useful for targeted drug delivery for cancer treatment, comprises e.g.poly (L-histidine) -poly (ethylene glycol) block copolymer and poly (L-lactic acid) -poly (ethylene glycol) block copolymer:US, 2009274753[P].2009.[12]Arulmozhi V, Pandian K, Mirunalini S.Ellagic acid encapsulated chitosan nanoparticles for drug delivery system in human oral cancer cell line (KB) [J].Colloids and Surfaces B, Biointerfaces, 2013, 110:313-320.Surf B Biointerfaces, 2013, (110) :395-402.

[4]Suzuki H, Komoda Y, Katsuda T.Producing liposome used for delivering active drug substance e.g.anticancer agent, involves introducing phospholipid dispersion liquid and gas into microchannel and mixing phospholipid dispersion liquid and gas within microchannel:UNIV KOBE NAT CORP (UYKONon-standard) , W02012098937-Al[P].2012.

[5]Yang YQ, Zhao B, Li ZD, et al.pH-sensitive micelles self-assembled from multi-arm star triblock co-polymers poly (epsilon-caprolactone) -b-poly (2- (diethylamino) ethyl methacrylate) -b-poly (poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate) for controlled anticancer drug delivery[J].Acta Biomaterialia, 2013, 9 (8) :7679-7690.

[6]Agut W, Brulet A, Schatz C, et al.pH and temperature responsive polymeric micelles and polymersomes by self-assembly of poly 2- (dimethylamino) ethyl methacrylate-b-poly (glutamic acid) double hydrophilic block copolymers[J].Langmuir, 2010, 26 (13) :10546-10554.

[7]Lai ST, Zhang W, Liu F, et al.TiO2 Nanotubes as animal drug delivery system and in vitro controlled release[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013, 13 (1) :91-97.

[8]Lomas H, Du JZ, Canton L, et al.Efficient encapsulation of plasmid DNA in pH-sensitive PMPC-PDPA polymersomes:study of the effect of pdpa block length on copolymer-dna binding affinity[J].Macromolecular Bioscience, 2010, 10 (5) :513-530.

[9]Wang YC, Li PW, Peng Z, et al.Microencapsulation of nanoparticles with enhanced drug loading for pH-sensitive oral drug delivery for the treatment of colon cancer[J].Journal of Applied Polymer Science, 2013, 129 (2) :714-720.

[10]Xiong W, Wang W, Wang Y, et al.Dual temperature/pH-sensitive drug delivery of poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) nanogels conjugated with doxorubicin for potential application in tumor hyperthermia therapy[J].Colloids and Surfaces B-Biointerfaces, 2011, 84 (2) :447-453.

[11]Bae YH, Lee ES, Na K.pH-Sensitive mixed polymeric micelle composition, useful for targeted drug delivery for cancer treatment, comprises e.g.poly (L-histidine) -poly (ethylene glycol) block copolymer and poly (L-lactic acid) -poly (ethylene glycol) block copolymer:US, 2009274753[P].2009.

钢结构组装 第9篇

关键词：卟啉-苝酰亚胺分子阵列,聚集态,自组装

近几年来, 通过超分子的相互作用进行有机分子纳米结构自组装的研究一直是广大科研工作者研究的热点。自组装是卟啉和苝酰亚胺化合物的一种重要行为, 而和单体相比, 聚集体的结构和性质会发生很大的改变。[1,2,3]在溶液中, 卟啉-苝酰亚胺分子阵列也不会仅仅以单体形式存在, 它们能够通过自体或异体自组装来形成聚集体。在激子理论中, H-聚集态是由平行的苝酰亚胺间平面对平面进行堆叠形成的, 而J-聚集态是由平行的苝酰亚胺间末端对末端 (或头对尾) 堆叠形成。[4,5]

1 实验部分

1.1 分子的合成

0.04g N, N-二正丁基-1, 6, 7, 12-四 (4-碘基苯氧基) -3, 4, 9, 10-苝二酰亚胺, 0.09g 5- (4-炔丙氧基) 苯基-10, 15, 20-三苯基锌卟啉, 0.014g的碘化亚铜, 0.034g三苯基磷, 18.5mg醋酸钯, 氮气保护。加入16ml的无水四氢呋喃和6ml经过干燥处理的三乙胺。室温下搅拌反应96小时加入50ml水和100ml二氯甲烷, 分离出有有机层, 水相用二氯甲烷萃取。有机相用稀盐酸洗涤。再分别用饱和氯化铵溶液和饱和氯化钠溶液洗涤。甲醇洗涤数次。过柱子, 纯化, 得到PDI-Zn POR2。同理, 增加卟啉的质量0.14g得到PDI-Zn POR4。

1.2 样品制备

化合物样品溶解在三氯甲烷中, (1) 将溶液直接滴到预处理的硅片上得到样品A; (2) 化合物的三氯甲烷溶液迅速注入较大量的乙醇中, 混合均匀静置2天, 聚集体转移到硅片上, 得到样品B; (3) 化合物的三氯甲烷溶液迅速挤入较大量的正己烷, 混合均匀静置2天, 聚集体转移到硅片或铜网上, 得到样品C。

2 结果与讨论

2.1 分子阵列在溶液和薄膜状态下的光谱表征:

图1 (a) 所示为分子阵列PDI-Zn POR2在溶液和薄膜状态下的紫外可见吸收光谱。与在溶液中的吸收光谱相比, 分子阵列PDI-Zn POR2在薄膜中的紫外可见光谱发生明显的宽化现象, 发生明显的红移。这主要是因为在薄膜中, 分子阵列间距离减少, 分子间聚集时容易发生很大程度的重叠, 分子阵列间存在较强的π-π相互作用, 从而导致吸收峰发生明显的红移

3 结论

用紫外可见吸收光谱及荧光光谱等表征方法对卟啉和苝酰亚胺分子阵列在溶液薄膜状态下的聚集态结构进行了研究, 发现在薄膜状态下分子阵列的吸收峰变宽, 吸收峰发生明显的红移, 说明在固体薄膜中分子间的距离减小, 分子间的π-π相互作用较溶液状态有所增加。在薄膜状态下中两种分子阵列的荧光发射完全猝灭, 证明这两种分子阵列形成的聚集体中存在较强的分子间的π-π相互作用。

参考文献

[1]Mahata, K., Frischmann, P.D., Wuerthner, F..Giant Electroactive M4L6Tetrahedral Host Self-Assembled with Fe (II) Vertices and Perylene Bisimide Dye Edges[J].J.Am.Chem.Soc.2013, 135:15656-15661.

[2]Gillissen, M.A.J., Koenigs, M.M.E., Spiering, J.J.H., Vekemans, J.A.J.M., Palmans, A.R.A., Voets, I.K., Meijer, E.W..Triple Helix Formation in Amphiphilic Discotics:Demystifying Solvent Effects in Supramolecular SelfAssembly[J].J.Am.Chem.Soc.2014, 136:336-343.

[3]Zhang, S., Sun, H.-J., Hughes, A.D., Moussodia, R.-O., Bertin, A., Chen, Y., Pochan, D.J., Heiney, P.A., Klein, M.L., Percec, V..Self-assembly of amphiphilic Janus dendrimers into uniform onion-like dendrimersomes with predictable size and number of bilayers[J].Proc.Natl.Acad.Sci.2014, 111:9058-9063.

[4]Ghosh, S., Li, X.-Q., Stepanenko, V., Wuerthner, F..Control of H-and J-typeπstacking by peripheral alkyl chains and self-sorting phenomena in perylene bisimide homo-and heteroaggregates[J].Chem.-Eur.J.2008, 14:11343-11357.

钢结构组装 第10篇

石墨是由大量碳原子组成的六角环形网状结构的多层叠合体,因层间结合能只有5.4kJ/mol,故在一定的外力作用下易被剥离,而剥离出的石墨单层结构即为石墨烯。20世纪30年代,Landau和Peierls等[1,2]提出二维晶体是热力学不稳定的,在常温常压下易分解。因此,传统理论认为石墨烯只是一个理论结构,实际中无法单独存在。直到2004年,英国科学家Geim等打破了“二维晶体无法在非绝对零度稳定存在”的认知,采用微机械剥离法在高定向热解石墨(HOPG)上反复剥离,最终成功制备并观察到单层石墨烯[3]。石墨烯的制备掀起了新一轮的碳热潮,开启了石墨烯材料研究的新时代。

石墨烯是由一层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维晶体[4]。微观尺度上,石墨烯是其他碳质晶体的基本组成结构单元,可翘曲形成零维富勒烯,卷曲成一维碳纳米管和堆叠为三维石墨。宏观尺度上(见图1),石墨烯结构中的缺陷、残存含氧官能团以及边缘不饱和键等反应活性位点,在不同的反应条件下通过边-边、面-面、边-面结合而组装成具有特定结构的石墨烯宏观体材料,如石墨烯纤维、石墨烯膜、石墨烯泡沫、石墨烯水凝胶和石墨烯气凝胶等。

从理论研究到现在,石墨烯已经具有70年的研究历史了,尤其是2004年石墨烯制备上的突破,使得其优异的物理化学性质引起诸多领域学者的广泛关注。如何将石墨烯优异的性能加以利用并服务于人类实际生产生活中,是石墨烯当前发展中亟待解决的问题。石墨烯宏观体的成功制备使二维石墨烯优异的理化性能直接转化到宏观材料上,然后将这种宏观材料制备成各种功能性器件或直接应用于实际生产生活中,因此石墨烯宏观体材料的制备为二维石墨烯拓展了新的应用领域,具有重要的理论研究价值和实际应用意义。

石墨烯宏观体继承了二维石墨烯诸多优异的理化性能,且因独特的多维结构而赋予其柔韧性、多孔性、高活性比表面积以及易回收等特性。因此,近年来国内外对石墨烯宏观体在电子器件、超级电容器及环境修复等领域做了大量的研究。

1 石墨烯宏观体的分类

根据组装方式的不同,石墨烯能形成一维纤维结构、二维平面结构和三维体结构的石墨烯宏观体。纤维结构的石墨烯宏观体在可穿戴电子设备上具有广阔的应用前景,而二维和三维结构的石墨烯宏观体在超级电容器以及环境水处理方面表现出较强的优势。

石墨烯纤维作为典型的一维结构的石墨烯宏观体,是一种具有大长径比的宏观石墨烯材料。2011年Xu等[5]首次合成了石墨烯纤维,且发现石墨烯纤维强度高、韧性好、可编织,可作为柔性电池的关键材料。时隔两年,空心石墨烯纤维诞生,其直径为数十至数百微米。空心石墨烯纤维具有内壁和外表面,相对于石墨烯纤维其比表面积增大,具有良好的催化、分离和敏感特性[6]。

石墨烯膜或石墨烯纸作为二维平面结构石墨烯宏观体的代表,是一种有序度低于石墨叠层结构的平面宏观石墨烯材料。Dikin等[7]通过真空辅助抽滤氧化石墨烯胶状悬浮液,实现了石墨烯的定向组装,首次获得了氧化石墨烯纸。通过对其还原即可获得石墨烯纸。且研究表明石墨烯纸具有电导率高(1716S·cm-1)[8]、导热性能好(1434W·m-1·K-1)[9]以及气体渗透性好[10]等特性。

三维体结构石墨烯是指由石墨烯纳米片相互作用构筑而成的一种石墨烯骨架结构碳质材料,如石墨烯泡沫、石墨烯海绵以及石墨烯气凝胶等。早在2008年,Li等[11]在无分散剂的条件下成功将石墨烯分散于水溶液中形成稳定的胶状悬浮液,且研究发现当分散液浓度高于0.5mg·mL-1即可形成水凝胶,掀开了三维体结构石墨烯研究的篇章。三维体结构石墨烯因良好的力学性能、超高的实际比表面积、优异的导电性和吸附性使其得以快速发展,相关的研究成果也已有报道[12,13]。

2 石墨烯宏观体的制备方法

石墨烯宏观材料的可利用性和易加工性使得石墨烯宏观体备受关注,为更好地挖掘其应用潜力,必须实现石墨烯宏观体的定向组装和可控制备。根据组装方式和组装的结构形态的不同,石墨烯宏观体的制备方式也不同。

2.1 一维纤维结构石墨烯宏观体的制备

因石墨烯不溶于一般的溶剂,且分散性较差,因此石墨烯纤维的研究在艰难摸索中缓慢前进。当前石墨烯纤维的研究处于起步阶段,其制备方法主要是湿法纺织法、水热法和化学气相沉积法。

2.1.1 湿法纺织法

湿法纺织法是化学纤维溶液纺丝的一种方法,主要以高浓度的氧化石墨烯胶体溶液为原料,在外力作用下将氧化石墨烯胶体溶液从喷丝头的细孔压入凝固浴中凝固制备出前驱体氧化石墨烯纤维,然后采用一定的还原剂对氧化石墨烯纤维进行还原-洗涤-干燥后制备出石墨烯纤维。Xu等[14]将浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯胶状悬浮液纺织到乙醇-水的凝固浴中,得到了氧化石墨烯纤维,再利用30%的HI溶液进行还原处理而制备出石墨烯纤维,其强度高、韧性好、有弹性。此外,为获得特殊形态的石墨烯纤维,Cheng等[15]利用激光照射对湿纺的氧化石墨烯纤维进行还原,制备出石墨烯-氧化石墨烯共存的单根石墨烯纤维。而Zhao等[6]对实验装置进行改进(见图2),以氧化石墨烯胶状悬浮液为原料,利用自制的同轴双毛细管喷丝头,通过湿纺的方式制备了空心氧化石墨烯纤维和连珠状的氧化石墨烯纤维,再利用HI溶液还原而制得空心石墨烯纤维和链珠状的石墨烯纤维。

图2空心石墨烯纤维的制备[6]:湿纺装置(a);空心氧化石墨烯纤维成品(b);链珠状的氧化石墨烯纤维形貌(c)Fig.2 The preparation of graphene-based hollow fibers:wet spinning device(a);graphene-based hollow fibers(b);necklace-like graphene-based hollow fibers(c)

为获得力学性能、导电和导热性能优异的石墨烯纤维,Xin等[16,16]通过改变混合氧化石墨烯尺寸比例,湿纺出氧化石墨烯纤维,并在氩气保护气氛中,2850℃条件下热处理1h,获得了导热率为(1290±53)W·m-1·K-1,抗张强度为1080MPa和电导率为(2.21±0.06)×105S·m-1的石墨烯纤维。

2.1.2 水热法

水热法制备石墨烯纤维是将氧化石墨烯胶状悬浮液置入细小的毛细管中,再将管两端封闭在一定温度下加热,然后自然干燥,制得石墨烯纤维。Dong等[17]利用水热法首次将8mg·mL-1的氧化石墨烯胶状悬浮液注射到内径为0.4mm的玻璃管中,然后将玻璃管两端密封放置于230℃的干燥箱中加热2h,制备出长度约为63cm、直径为33μm的石墨烯纤维,其韧性较好。采用水热法制备石墨烯纤维既能完成对氧化石墨烯的组装又能将其还原,且毛细管内径的大小直接决定纤维的粗细。该方法操作简单、成本低廉,且能一步完成石墨烯纤维的制备。

2.1.3 化学气相沉积法

石墨烯纤维也可通过化学气相沉积法制备获得。将石墨烯沉积到纤维状的基底上,然后将基底刻蚀去掉,洗涤而获得石墨烯纤维。Chen等[18]以单根铜丝作为沉积基底,成功制备了空心石墨烯纤维,其电导率高达127.3S·cm-1,经过上千次的弯曲试验表现出良好的柔韧性。且研究发现石墨烯纤维的长度取决于沉积基底铜纤维的长度。此外,Wang等[19]以相互缠绕的多根铜丝为基底,以乙醇蒸气为碳源,通过化学气相沉积方式获得了超长石墨烯纤维(见图3)。

图3化学气相沉积法制备石墨烯纤维[19]:铜丝基底(a);石墨烯纤维微观形貌(b);石墨烯纤维长度(c、d)Fig.3 Graphene fiber prepared by CVD[19]:copper wires(a);SEM image of graphene fiber(b);the length of graphene fiber(c,d)

通过表1的比较分析可知,制备不同性能的石墨烯纤维,不同的制备方法各有其优点,但同时也有一定的局限性性。

2.2 二维平面结构石墨烯宏观体的制备

石墨烯固有的二维平面为其形成宏观石墨烯膜奠定了基础,具有形成薄膜材料的结构优势,因此石墨烯膜是最早被开发出来的宏观石墨烯材料。与石墨烯纤维相比,石墨烯膜的制备方法较多,包括真空抽滤法、旋转涂覆法、喷射涂覆法以及化学气相沉积法等。

2.2.1 真空抽滤法

利用大气压力与抽滤瓶中的真空之间形成的压力差克服微孔滤膜的阻力,对石墨烯胶状悬浮液进行抽滤,将其沉积在微孔滤膜上,干燥后即得具有支撑基底的石墨烯膜(纸),然后将微孔滤膜溶解,可得到无支撑基底的石墨烯膜(纸),如图4所示。

通过真空辅助抽滤,Dikin等[7]实现了氧化石墨烯的定向组装,得到了无支撑基底的氧化石墨烯纸。且研究发现加入少量的二价金属阳离子(如Mg2+、Ca2+),氧化石墨烯片层结构中含氧官能团(羟基、环氧基、羧基等)与二价金属阳离子能形成有效的化学配位成键,从而增强了氧化石墨烯纸的力学强度[22]。而对于石墨烯纸的制备,Chen等[23]对水合肼还原的石墨烯进行抽滤,得到厚度可控的叠层还原氧化石墨烯纸。此外,通过还原氧化石墨烯纸也可获得石墨烯纸,且还原方式不同,获得的石墨烯纸的性能略有差别。Han等[24]利用光还原成功制备了具有良好湿度响应的氧化石墨烯/石墨烯复合纸。而Shu等[25]通过热处理和添加抗坏血酸多步还原氧化石墨烯纸,制备了力学强度和连通性较好的多孔石墨烯纸。

2.2.2 旋转涂覆法

旋转涂覆法是一种高速成膜的方法,主要是利用旋转产生的离心力,将石墨烯胶状悬浮液旋涂于衬底表面,形成厚度较为均匀的石墨烯膜,如图5所示。

该方法制备的膜透明性和导电性较好,常用于制备石墨烯透明导电薄膜。Umar等[26]在500℃下对旋涂于基底的氧化石墨烯膜热处理0.5h,得到石墨烯导电薄膜。此外,Zhang等[27]将石墨烯悬浮液分别旋涂在未加热和加热到70℃的PET基底上,分别获得了电阻率为1.07 mΩ·m和0.18mΩ·m的石墨烯导电薄膜。

2.2.3 喷射涂覆法

喷射涂覆法是利用喷涂机,将石墨烯分散液喷涂于已预热的基底上,待溶剂挥发后即可制得石墨烯薄膜。该方法可用于大量制备石墨烯薄膜,生产效率高,基底选择范围宽,但制备的薄膜厚度均一性较差,如图6所示。

Kim等[29]将水合肼还原制备的还原氧化石墨烯,采用超音速动力学喷射制备石墨烯薄膜,并研究了在喷射过程中薄膜的自愈合作用。Li等[30]采用喷射涂覆法将氧化石墨烯喷涂于聚酯碳基底上,并用高浓度的HI气体还原得到透光率为74%、薄膜电阻小于15.3Ω·sq-1的透明导电石墨烯薄膜。

2.2.4 化学气相沉积法

化学气相沉积法生长石墨烯薄膜是以大片径过渡金属单晶或金属薄膜为衬底,甲烷等含碳化合物作为碳源,通过高温分解使碳原子在金属基体表面沉积形成石墨烯薄膜。Wu等[31]采用化学气相沉积法在Cu基底上制备出了大尺寸的石墨烯膜,且能自由转移到各种基底表面。该方法使用的金属基底除了Cu外,常用的基体还有Ni等[32]。此外,对氧化石墨烯膜进行化学气相沉积热处理,也能获得高质量的还原氧化石墨烯膜[33]。

真空抽滤法、旋转涂覆法、喷射涂覆法以及化学气相沉积法等都能获得二维平面结构石墨烯宏观体,但各方法之间也存在显著的差别,如表2所示。

2.3 三维体结构石墨烯宏观体的制备

由于氧化石墨烯表面存在大量的含氧官能团,表现出良好的亲水性,所以不仅能高度分散于水溶液或其他有机溶剂中,而且在一定反应条件下能转变为具有三维骨架结构的石墨烯水凝胶或气凝胶。当前三维石墨烯常用制备方法主要有水热法、化学气相沉积法、自组装法和3D打印法。

2.3.1 水热法

水热法是制备三维石墨烯凝胶最常用的方法。在水热条件下,氧化石墨烯结构中的含氧官能团逐渐被还原,共轭结构逐渐被修复,还原后的石墨烯片层之间的静电斥力减小,在压力作用下形成了相互交联的骨架状石墨烯水凝胶。

Bi等[36]将氧化石墨超声分散后于180℃下水热反应24h,制得海绵状的三维石墨烯气凝胶。其实际比表面积达432m2·g-1,具有比膨胀石墨和其他有机吸附剂更好的吸附性能。Wu等[37]利用水热法合成了连通性好、孔径大小为2~3.5nm、高比表面积和低质量密度的多孔状三维石墨烯气凝胶。此外,Song等[38]利用该法成功获得了既能吸附水又能吸附油的双亲性多功能石墨烯泡沫。且相关研究发现,向氧化石墨烯悬浮液中加入其他有机或无机物,水热处理后还能获得诸多具有优异性质的三维石墨烯复合凝胶[39,40]。

2.3.2 化学气相沉积法

化学气相沉积法制备三维石墨烯的方法与制备石墨烯相似,以甲烷为碳源,氢气和氩气为辅助气体,在泡沫过渡金属基底上沉积与基底形状类似的泡沫状石墨烯,利用刻蚀液将冷却后带基底的石墨烯泡沫中的基底刻蚀掉,从而获得无支撑构架的三维石墨烯泡沫。

Chen等[41]利用化学气相沉积法分别在平面和曲面泡沫镍基底上,制备了具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫材料。研究发现,石墨烯泡沫完整地复制了泡沫金属的结构,以无缝连接的方式构成了全连通的整体,具有低密度、大孔隙率、高比表面积和优异的电荷传导能力等特点。Wu等[42]利用该方法也成功制备了氮掺杂三维石墨烯泡沫。此外,利用这种方法还能获得各种具有优异特性的三维石墨烯泡沫[43,44]。Liu等[45]以泡沫Ni为基底,通过化学气相沉积成功制备了用于癌胚抗原检测的大孔三维石墨烯泡沫。

2.3.3 自组装法

氧化石墨烯表面带负电,在水中具有良好的分散特性,在流体或蒸发及还原作用下,可有序自组装成三维结构的石墨烯凝胶。

Chen等[46]以氧化石墨烯为原料,通过加入HI等还原剂于95℃无磁力搅拌下采用原位自组装,在无交联剂、无高压的条件下制备了具有三维结构的石墨烯水凝胶,经冷冻干燥后制备出石墨烯气凝胶。研究发现制备出的三维石墨烯形状随反应容器形状的变化而变化。此外,氧化石墨烯自组装形成三维石墨烯凝胶还可通过添加交联剂、调节pH等方式实现[47[47]48]。

2.3.4 3D打印法

3D打印作为当前应用研究的热点,最近也被应用于厘米级的高定向三维石墨烯宏观体的制备。以氧化石墨烯为油墨,通过程序控制打印出各种稳定结构的三维石墨烯。Zhu等[49]首次通过3D打印制备了具有周期性微阵列的石墨烯气凝胶,如图7所示。

研究发现[[51],51],3D打印石墨烯气凝胶成型的关键在于氧化石墨烯油墨的制备,而通过3D打印的石墨烯气凝胶基本上都具有较小的密度、较高的电导率和超强的压缩性等特点。

综上所述,对三维体结构石墨烯宏观体的制备方法的总结和对比分析可知(表3),水热法、化学气相沉积法和3D打印法是制备高力学强度三维体结构石墨烯宏观体的主要方法。

3 石墨烯宏观体的应用

3.1 石墨烯纤维的应用

碳质纤维因机械强度高、质量轻等特点引起了人们的广泛关注,当前碳纤维已经实现了工业化生产,且在生产生活中被广泛应用。石墨烯纤维作为新型的碳质纤维,研究起步较晚,主要应用在纤维染料敏化电池、超级电容器以及有机物分离等方面。

石墨烯纤维卓越的力学性能和电学性能使其在染料敏化光伏电池等方面具有潜在的应用前景。Chen等[18]以CVD法制备的石墨烯纤维为原料,制备了纤维状的染料敏化电池,研究发现其能量转化效率可达3.25%。此外,通过与贵金属的复合等方式能提高其能量转化效率,如Peng等[54]以石墨烯/Pt复合纤维作为对电极,Ti纤维为工作电极,制备出力学性能好、韧性强、电导率高的纤维状光伏器件。这种纤维状的光伏器件的光电转换效率高达8.45%,比其他纤维状光电器件的转化效率高。

良好的导电率和高的比表面积可使石墨烯纤维制备成小巧轻便的高效纤维状超级电容器。Wang等[55]通过激光还原氧化石墨烯纤维制备了“竹节”型的单根一体化的石墨烯纤维超级电容器,其表面比电容为14.3mF·cm-2,远高于Hu等[56]的研究结果。而Zhao等[57]通过湿纺方式制备的同轴石墨烯纤维超级电容器,因减少离子传输距离,溶液电阻降低,电化学性能相对提高,具有较高的比电容(205mF·cm-2)和能量密度(17.5μWh·cm-2)。此外,为进一步增强石墨烯纤维的电容性能,Ma等[58]将MnO2纳米线和氧化石墨烯超声,并以湿纺的方式制备了MnO2/石墨烯复合纤维超级电容器。这种复合的石墨烯纤维兼具石墨烯双电层特性和MnO2纳米结构的赝电容特性,体积比电容为66.1F·cm-3,循环10000次后,比电容仍保持在96%以上。

在环境中有机污染物分析等方面,纤维常被用于固相微萃取检测技术中,但早期的纤维成本较高,热稳定性、力学性能和化学性能较差,极大地限制了其应用。石墨烯纤维因力学性能和稳定性较高,使其在固态微萃取技术检测有机污染物等方面有了新的应用。Chen等[59]和Luo等[60]将石墨烯纤维作为固相微萃取中的涂层,从而实现对水溶液中低浓度的有机杀虫剂的检测。而Li等[61]通过对石墨烯纤维进行氨基改性,可检测水中的合成麝香等有机污染物。

3.2 石墨烯膜(纸)的应用

石墨烯膜良好的导电性和电化学稳定性,使其在电子器件等方面具有广阔的应用前景。Wang等[62]发现,经冷冻干燥和低温热处理的多孔结构纳米硫/还原氧化石墨烯复合纸具有优异的电化学性能,电流密度300mA·g-1时,比电容达800 mAh·g-1,循环200次后单次比容量损失仅为0.035%,可作为锂-硫电池的阴极材料。Yuan等[63]将石墨烯纸用作钠电池的阳极材料,可显著提高电池的功率容量,其功率密度达20000 W·kg-1。最近,Kim等[64]将多孔石墨烯纸作为Li-O2电池电极材料,发现大的比表面积(373m2·g-1)、孔体积(10.9cm3·g-1)和超高的孔隙率(91.6%)使其具有良好的电化学特性,电流密度为200mA·g-1时,其比电容高达12200mAh·g-1。此外,石墨烯纸还是一种良好的滤波和电磁屏蔽材料。Paliotta等[65]将真空抽滤制备的多层石墨烯纸进行退火处理后,获得电导率为1443.2S·m-1,柔韧性较好的多层石墨烯纸。在频率18GHz作用下,所制备的石墨烯纸的屏蔽性能高达55dB。

还原氧化石墨烯纸具有一定的亲水性和良好的热稳定性。Dong等[66]利用氧化石墨烯和六氯环三磷腈制备了还原氧化石墨烯-六氯环三磷腈复合纸,研究发现石墨烯-六氯环三磷腈纸具有良好的阻燃特性,可作为高稳定性的阻燃材料。

氧化石墨烯成膜过程中因氧化石墨烯片层以交错的方式堆叠在一起,会形成纳米通道,因而可作为分子筛。Li等[67]和Joshi等[68]研究发现氧化石墨烯膜具有一定的选择渗透性,能使水化离子半径小的离子及直径小于纳米通道孔径的气体分子通过,从而实现分子之间的分离。另外,氧化石墨烯膜还能吸附有机染料,可应用于污水处理、盐水淡化和油水分离等领域[69]。Wang等[70]研究发现多孔纳米聚丙烯腈纤维支撑基底的氧化石墨烯膜能完全过滤水中的刚果红,且对无机盐Na2SO4的阻滞率达56.7%。Chen等[71]将氧化石墨烯和碳纳米管复合制备了还原氧化石墨烯-CNT复合滤膜,发现复合滤膜渗透率高达20~30L·m-2·h-1·bar-1,且对水中甲基橙阻滞率达97.3%,对其他物质的阻滞率达99%。

3.3 石墨烯凝胶的应用

石墨烯凝胶良好的导电性、较高的孔隙率和较大的实际比表面积等特性,使其在环境修复和储能方面具有广泛的应用。

早期研究发现水热法制备的三维石墨烯海绵能有效分离水中油类等有机污染物,其吸附性能较膨胀石墨及其他有机吸附剂都高。海绵状三维石墨烯循环利用性较好,加热处理即可对吸附物质进行脱附,且不会破坏海绵状三维石墨烯的结构与性质[36,72]。Wang等[73]研究发现化学气相沉积法制备的石墨烯泡沫对偶氮染料等有机物也表现出良好的吸附降解性能。为进一步增强三维石墨烯在水污染治理方面的能力,Qian等[13]在水热条件下合成制备了密度为3.2mg·cm-3、比表面积高达1019m2·g-1的石墨烯/炭复合气凝胶。通过对废水中氯仿等有机物的吸附表明其吸附能力是自身体重的400倍,表现出超高的吸附能力。此外,Lei等[12]也发现三维石墨烯具有较好的吸附性能和循环利用性,对Cd2+、Zn2+、Pb2+和Fe3+等离子的吸附量最高分别可达252.5mg·g-1、326.4mg·g-1、381.3mg·g-1和587mg·g-1,高于传统吸附材料。且研究发现三维石墨烯对放射性铀也具有良好的吸附性[74]。

三维石墨烯较高的孔隙率和比表面积,能加快电子和电解液的传输,在超级电容器领域具有潜在的应用前景。

Guo等[75]将水热还原的三维石墨烯凝胶制作成具有柔韧性的无粘结剂超级电容器,发现其比电容为220F·g-1,在弯曲状态下经过10000次充放电后,电容保留率仍高于80%,具有良好的循环稳定性。而通过苯胺在石墨烯片层上原位聚合等方式制备的三维还原氧化石墨烯/聚苯胺复合泡沫,可进一步改善其电化学性能[76],比表电容可达790F·g-1,最大能量密度和功率密度分别为17.6 Wh·kg-1和98kW·kg-1,且经过5000次充放电后其电容仍保持80%以上。除与有机物聚合形成的三维复合石墨烯材料外,与无机物形成的三维石墨烯凝胶也表现出良好的电化学性能。Mao等[77]通过水热法原位合成Ni(OH)2与氮掺杂的三维石墨烯复合凝胶。研究发现该材料制备的超级电容器,当负载40%的Ni(OH)2、电流密度为0.2A·g-1时,其比电容可达782F·g-1,且循环10000次后,其电容量仍保持在90%以上。

4 结语

石墨烯研究的热潮一直持续至今,而石墨烯宏观体作为新型的石墨烯材料,扩展了石墨烯应用的新领域。尽管石墨烯宏观体材料具有诸多本征石墨烯优异的理化性质,较高的实际比表面积以及多孔结构等特性,使其在能源、环境等领域有较快的发展,但当前石墨烯宏观体材料的制备和应用仍存在较多挑战,需进一步探索与开发。

万能猪:开启人体“组装”时代? 第11篇

把猪的器官移植到人身上？这个听起来“荒唐”的主意，几乎让人无法接受！可是对于李琳来说，这个想法却显得有某种“现实感”：最近，她每天都会接到好几个电话，来电者都迫切地询问，能来你们这里“换猪肾”吗？

李琳是南京医科大学代谢疾病研究中心的工作人员。自从媒体披露她所在的机构正在进行“万能猪”的研究，为器官移植提供供体以来，实验室里的平静便时常被急不可耐的患者打破。

在中国，每年有150万患者亟需接受器官移植手术，而最终能够得到供体并接受移植的病人还不到1万人。中国红十字会与卫生部自2010年3月启动了“中国人体器官捐献试点”工作，南京也被确定为试点城市之一。可是一年来，这里的自愿捐献供体者为零。即使在过去的20年中，南京也只有3位志愿者捐献了器官。

移植供体短缺是一个世界性的问题，以美国为例，即使人们对器官捐献的态度比较积极，并建立了相对完善的“联合器官共享网络”，但仍有大约三分之一的病人在等待供体的过程中结束了生命。

患者渴望得到“猪肾”的心情，也许很难为常人所理解，但是它却反映了器官移植供体短缺的残酷现实。而实际上，“万能猪”的技术只是即将开始的动物实验，距离真正的大器官移植还有很长的路要走。

李琳的导师、负责该项目的南医大代谢疾病研究中心副主任戴一凡对《中国新闻周刊》记者表示，所谓“万能猪”，即能够为人体提供器官移植供体的“基因敲除猪”，在美国已有10年的研究历史。戴一凡在美国的时候，便是这一研究的主要参与者。

“万能猪”的身价和身世

在南医大新建的代谢疾病研究中心实验室里，不乏价值高达50万元人民币的先进仪器。但在戴一凡眼里，整个房间里最值钱的，是放置在角落里的一个外形像“煤气罐”的东西。实际上，这个液氮罐里冷冻储存的，是他从美国带回来的基因敲除猪细胞。按计划，这些细胞再过两个多月，就将变成活蹦乱跳的小猪。为了它们，一座全新的超洁净猪舍正在加紧建造当中。

“从表面上看，这些猪将和普通的猪没有什么区别，”戴一凡开玩笑说，“或者你可以认为，因为饲养全程无污染，所以它们的肉要比市场上卖的猪肉好吃，不过价格可就贵了！”实际上，这些被高科技改造了基因的小猪，在国外有一个更直接的名字能体现出它们的价值——“百万美元猪”。

对基因敲除猪的研究，美国匹兹堡大学Starzl器官移植研究所和由匹大医学中心控股的Revivicor公司在世界上居于领先水平。戴一凡归国前就先后任职于这两个机构。此前，他从1998年开始在英国PPL医疗公司从事这一领域的研究。如今PPL公司虽已倒闭，但却在医学史上留下了无法略过的一笔——1996年，它与英国罗斯林研究所合作，培育出了世界上第一只体细胞克隆哺乳动物“多利羊”。

人们通常所说的器官移植，是在“供体”和“受体”处于同一物种之间进行的，这种移植被称为“同种移植”。而面对器官供体的严重短缺，科学家开始尝试通过“异种移植”，即将一个物种的组织器官移植到另一个物种体内（例如，把猪的器官移植给人）来解决问题。这种从100多年前就开始的尝试鲜有成功者。在动物实验中，移植了猪器官的狒狒，大多会在1小时内就死去。这就是异种移植过程中，遇到的最棘手的问题——“超急性排斥反应”。

对于发生这种现象的原因，戴一凡解释说，猪体内有一种α—1，3半乳糖基转移酶基因（简称α—GAL基因），是狒狒与人等灵长类动物所没有的。在猪器官移植到人体以后，α—GAL基因所表达的糖分子就像入侵的敌人，会被人体内的抗体发现。抗体就像先头发射的导弹，与另一种具有免疫功能的物质——补体相互配合，很快就会把外来的器官排斥掉。

科学家曾经试验过很多方法来解决超急性排斥问题，比如在猪器官移植给猴子的试验中，试图先去除供体的α—GAL糖分子，或者通过给猴子做血液透析以去掉它们体内的抗体等等。但这些做法的持续时间和效果都十分有限。而随着基因技术的发展，解决排斥反应最根本的办法，就是将猪的α—GAL基因用某种办法“敲除”掉。

“但是如果没有克隆技术，光能实现基因敲除是不行的。” 戴一凡解释说，所以在“多利羊”出世后，PPL公司便积极开展了另外一个大课题——克隆猪，目的就是为异种移植做前期技术准备。2000年，戴一凡与他的同事们便培养出了世界上第一批克隆猪。

为什么选择猪？

在戴一凡的实验室里，有一台和传真机差不多大小的仪器，看起来没有什么特别。可猪细胞就是在这台名叫“电穿孔仪”的仪器里发生同源基因重组，从而被敲除掉α—GAL基因的。有了敲除α—GAL基因后的猪细胞，就可以利用克隆技术在实验室里将其培育成带有敲除基因的卵子，再移植到代孕猪的身体里去。

利用体细胞进行电穿孔得到同源基因重组的成功率非常低。戴一凡等人从培育出第一只克隆猪，到后来获得基因敲除猪，花了两年的时间。2002年3月，一只粉嫩可爱、刚出世尚未满月的基因敲除猪登上了《自然》杂志生物科技分册的封面，同年，美国《发现》杂志将其列为当年100项重大科学新闻之一。

为什么要用猪而不用猴子或其他动物来做异种移植的供体呢？理由有很多。戴一凡列举说，首先是因为猴子太小，最大的猴子才20多公斤，它们的生长周期也长，要5～10年才能成熟，加上每胎只生一个，即使大量繁殖也来不及。而猪的很多生理指标都与人接近，比如人的平均体重为60公斤，小型猪为40～80公斤，人与猪的正常体温都是37～38摄氏度。对于器官移植需要最多的供体肾脏来说，猪的肾脏结构、肾小球滤过率、肾血流量及浓缩功能都与人相同，大小也与人的肾脏相近。

而另一方面，由于狒狒、猴子与人同属灵长类动物，所以有很多病毒可以和人类交叉感染，比如，艾滋病病毒HIV就是从猴子传到人群。

此外，从动物保护主义者的观点来看，他们对大动物实验本就非常敏感，如果再拿与人同属灵长类的猴子、狒狒做器官移植势必带来更大的反弹。

的确，自医学界开始异种移植的尝试以来，就遭到了来自宗教、伦理学以及动物保护组织的反对和阻扰。早在1682年，俄罗斯医生曾将狗的头盖骨移植到一位贵族受伤的头部，以封盖住伤口。这一做法招致了宗教界的强烈反对，他们要求医师将患者头上的狗骨取掉。

尽管招致争论，但除此以外的器官移植途径，在科研上更加遥不可及。戴一凡举例说，尽管目前用干细胞已经能培养出不同的组织，但这些组织进一步分化、生长成为复杂结构的器官，科研上还难以达到。匹兹堡大学医学院的大卫·库伯（David Cooper）曾参与了世界上第一例心脏移植手术，后转向异种移植研究领域，是国际异种移植协会的创始人之一。在他看来，利用干细胞培养器官进行同种移植，“这也许将在未来50年或100年内实现，而猪器官移植则要比这实际得多”。

“猪二代”以后……

对于异种移植的供体来说，敲除了α—GAL基因是意义重大的第一步。在动物实验中，狒狒在移植了基因敲除猪的肾脏后，就没有了“超急性排斥反应”。但是，它们却会在数周后的“急性排斥反应”中死去。

“这就等于，现在太阳已经被我们遮住了，却露出了满天的繁星。”戴一凡比喻说，由于异种移植排斥反应的原理复杂，在随后的研究中，他们挑出了“几个比较亮的星星”来重点解决。研究发现，如果对第一代基因敲除猪的基因作进一步修饰，就能起到更好的抗排斥效果。在过去的十年里，戴一凡和他的同事们培育出了α—GAL基因敲除+某一种单基因修饰的“第二代基因敲除猪”。他此次带回中国的，便是“二代猪”里结果最好的一种。

“这些液氮罐里的猪细胞只是新的起点。我们最终的目标是‘一劳永逸，为此还有很多研究要做。”南医大代谢疾病研究中心主任赵子建对《中国新闻周刊》表示。这位同样从美国匹兹堡大学回国的“海归”与戴一凡一直在科研上进行合作。

赵子建介绍说，不同器官的移植难度是不同的。目前，角膜、皮肤和胰岛将很快地进入动物实验阶段，而心脏、肝脏和肾脏等大器官，还需要在第二代基因敲除猪的基础上，对其基因做进一步的修饰，培育出第三代基因敲除猪。

在所有器官的移植中，肾脏移植的难度是最大的，即便在同种器官移植中也是如此。戴一凡说，因为肾脏里有大量丰富而又娇嫩的毛细血管，很容易受到损伤。 相比而言，肝脏本身就具有抗免疫排斥功能，并且再生能力较强，而心脏只是涉及到肌肉方面的问题，移植难度都比肾脏稍小。总体而言，大器官移植，还需要三五年的时间才能有望转入临床试验。

不过，戴一凡的想法也许仍属乐观。早在2006年，美国科学院院士、被誉为“肝脏移植之父”的托马斯·斯塔泽尔（Thomas Starzl）就曾表示，异种移植将在5年内进入到临床试验阶段。可如今5年过去了，异种移植的前进步伐并没有跟上这一预言。

困扰异种移植研究者们的另一问题是，猪体内有一种内源性逆转录病毒（PERV），整合在猪的基因里，技术上无法将其全部去除。根据过去多年的大动物实验，以及一些零星的人体试验，并没有发现受体感染上PERV病毒的案例。因此，目前大部分科学家都认为，该病毒对人体危险不大。

尽管无法证明未知的风险，人们对异种移植研究仍采取谨慎态度。美国食品与药品监督管理局（FDA）规定，异种移植试验的血样要在冰箱里保存50年。而戴一凡在南医大即将开展的动物实验，也将根据中国的规定，将猪的血样以及受体样品冷藏50年。

钢结构组装 第12篇

聚合物自组装技术,就是在简单的系统上制备大面积有序的微结构,是目前一项主要的研究课题。 通过对嵌段共聚物的调控,已经可以自组装形成线条、点阵、孔阵等纳米级结构[3]。Philip M. S. Roberts等人[4]以嵌段共聚物自组装形成的周期23 nm的线栅结构为基底制备了金属偏振线栅。不同于嵌段共聚物的自组装,利用应力的变化,在柔性衬底/ 刚性薄膜系统上,当应力超过临界应力时也可以得到有序的自组装结构。Masashi Watanabe和Koujirou Mizukami[5]利用化学氧化法在PDMS表面组装形成结构整齐的光栅线条。Yan Xuan等人[6]利用双层薄膜形成的互传聚合物网络制备了可控的无裂纹光栅褶皱。受此启发,提出了一种基于性衬底/刚性薄膜系统,以PDMS为柔性基底结合氧气等离子氧化工艺,通过柔性的PET薄膜对应力进行调节, 在薄膜表面制备大面积无明显裂纹的亚波长光栅结构。使用严格耦合波理论( RCWA) 分析了在这种光栅结构上加工金属偏振光栅的可行性,分析表明这种结构可用于加工制备用于近红外偏振的金属光栅。

1亚波长金属光栅的偏振特性

亚波长金属光栅就是具有亚波长结构的金属栅条。如图1所示,将入射光分为TM偏振光( 电场方向与栅线垂直) 与TE偏振光( 电场方向与栅线平行) ,TM偏振光入射时,沿栅线方向的电子振荡受阻,这时光栅层对TM偏振光就如同介质层,TM偏振光可透射过去。而TE偏振光入射时,在栅条方向会激起电子自由振荡,这时TE偏振光就被光栅层反射[7]。

光栅的周期与入射光波长之间的关系决定了光栅的衍射特性。亚波长光栅的光栅周期要远小于入射光的波长,这时光栅只有零级衍射的条件[8]

式( 1) 中n为光栅基底折射率,m为衍射级次,θm为对应的衍射角,ni空气折射率,θi为入射角。因为只有零级衍射,所以m = 1,θm= π /2,那么入射角为0时,基底的折射率设定为1. 5时,可以计算得到对于近红外波段( 780 nm ~ 3 μm) ,周期临界值 λ 为520 nm。这说明制备的光栅结构( 周期450 nm, 深度100 nm) 可以用作制备近红外波段金属偏振光栅的介质基底。

2亚波长金属偏振光栅的设计

2.1自组装亚波长光栅

如图2所示,将PDMS ( Dow Corning,Sylgard 184) 预固物和固化剂按照质量比5 ∶ 1混合,充分搅拌后在室温真空环境下( 真空度0. 09 MPa) 去气泡30 min,随后在匀胶机转速3 000 r / min条件下旋涂30 s,这样在PET薄膜上就旋涂上了一层均匀的PDMS薄膜。然后90 ℃ 常压下加热固化1 h,得到了PET & PDMS双层薄膜结构。将得到的薄膜裁剪成3 × 1 cm2的长条,用自制夹具分别夹住薄膜两端, 使得两端的距离为2 cm,随后滑动夹具的一端,变化量 ΔL为1 cm。利用氧气等离子体清洗机( PVA Te Pla ION Wave 10) ,设置射频功率120 W,氧气流量150 sccm( 标况毫升每分钟) ,处理10 s。

这样就在PDMS表面生成了一层刚性薄膜,慢慢释放应力就在PDMS薄膜表面自组装形成了如图3所示的正弦光栅状的褶皱结构。褶皱的平均波长和振幅达到了同一数量级分别为450 nm和100 nm。另外,可以看出得到的光栅结构在测定的范围内只有一处的明显缺陷,这主要是应力释放过快或者是薄膜表面不平整造成的。但是可以通过调控应力的释放过程,尽可能的使薄膜平整,这样的缺陷在相当大的区域内是可以避免的。

2.2亚波长金属偏振光栅的设计

亚波长金属偏振光栅的偏振性能主要由光栅周期、占空比及槽深决定。这里设计的金属偏振光栅以PDMS为基底,在其表面沉积金属层就可以得到偏振金属光栅。为了便于分析,并且得到近似的分析结果,在仿真模型中将介质光栅的周期设定为450 nm,占空比0. 5,深度100 nm的矩形光栅,金属层的厚度变化范围为( 30 ~ 70) nm。因为金属铝在可见光、红外波段都有很好的TM偏振透射率和消光比,所以选用铝作为金属层。另外不同面型的金属层对光栅的偏振性能影响很大,利用倾斜沉积金属层的方法设计了三种不同的金属线栅结构。

2.2.1单层金属光栅

通过倾斜溅射、蒸镀金属层在介质光栅的侧壁形成金属线栅[9],这种方法就是让金属沉积的过程中让介质光栅成一定的角度 θ ,让纳米金属颗粒生长在栅线顶端及侧壁上,通过控制角度可以调整侧壁上金属层的高度及厚度。假设以一个较小倾斜角来溅射金属,结合实际光栅的面型,蒸镀的金属只会沉积在介质光栅的顶端和一侧侧壁上,金属层在不断沉积的过程中顶端金属层不断变厚,那么光栅沟槽底部和侧壁要沉积金属颗粒就会变得更加困难。 这时如果要在侧壁和底部沉积金属就要不断减小倾斜角 θ ,而实际情况是在金属沉积的过程中 θ 是不变的,这就会使得顶端的金属层比侧壁的厚很多。 倾斜沉积金属的方法如图4( a) 所示,为了得到更合理的分析结果,这里将侧壁的金属层厚度设为0,用图4( b) 所示的结构作为仿真模型。仿真结果如图4所示,金属层越厚TM、TE的透射率变得越来越小。在整个近红外波段( 30 ~ 70) nm的金属光栅对TM偏振光透射率都超过了55% ,并且TE偏振光的透射率都较大,这使得这种单层金属光栅的消光比较小,不能实现很好的偏振性能。

2.2.2包裹型金属光栅

根据倾斜蒸镀的方法可以在介质光栅的侧壁形成金属线栅。调整一个较大的倾斜角,让金属颗粒可以更好地黏附在介质光栅的侧壁上。如图6( a) 和图6( b) 所示在第一次倾斜蒸镀后,将光栅基底旋转180°,倾斜相同的角度再次蒸镀金属层就可以得到如图6( c) 所示的包裹型金属光栅。这里假设侧壁上金属厚度为介质光栅高度的一半,即d = 50 nm。因为基底进行了翻转并进行了两次蒸镀,所以侧壁金属层的厚度t只有顶端金属层的一半,即t的变化范围为( 15 ~ 35) nm。仿真结果如图7所示, 金属层越厚TM、TE的透射率越小。对于整个分析的波段,当波长超过1. 5 μm后TM才有较大的透射率。TE的透射率相对变化也很明显,这可以从消光比的对比中看出,顶端金属层30 nm和70 nm时两者的差距近两个数量级。

2.2.3双层金属光栅

双层金属光栅是指在介质光栅的栅线顶端和底端都沉积一层金属而制备的金属光栅[10]。这种方法是目前最常见的一种设计和制备金属偏振光栅的方法。如图8( a) 所示,当垂直与介质光栅蒸镀生长金属线栅时,就可以得到类似图8( b) 的结构,并以此结构作为仿真模型。仿真结果如图9所示,在波长在1. 2 μm之前对于TM的透射率差距并不明显, 但整体看来金属层的越厚TM、TE的透射率越小。 TE和消光比的差别较大,最大值与最小值的差距达到了两个数量级。在金属层为70 nm时,对于整个近红外波段的消光比都超过了1 000。

由三个仿真结果可以看出,金属层的厚度、面型对于金属光栅偏振性能有直接的影响。相比较而言,相同的金属层厚度情况下单层金属光栅可以得到更好的TM偏振光的透射率,但是消光比不是很理想。双层金属光栅有更大消光比,但是在仿真波段的TM偏振光的透射率较小。而包裹型的栅的偏振特性趋于其他两者之间。实际制备时,介质光栅的倾斜角并不好控制,所以这种双层金属结构的偏振光栅还是首选,在沉积50 nm左右厚度的金属时, 设计的金属偏振光栅的TM偏振光的透射率在0. 5左右而消光比也能达到1 000。当然,在实际加工时,介质光栅的结构和蒸镀的金属栅条不可能是规则矩形,金属栅条也会存在氧化等问题,所以这里设计分析的金属偏振光栅与实际情况会有一定的差别。

3结论

设计了三种自组装工艺制备金属偏振光栅结构,利用柔性衬底/刚性薄膜系统制备了有序的光栅褶皱,褶皱的平均波长和振幅分别达到450 nm和100 nm。利用严格耦合波分析法( RCWA) 仿真分析了单层、双层、包裹型三种不同面型金属光栅的偏振性能,实现了不同消光比和透射系数的纳米偏振光栅的设计。基于PDMS自组装结构为低成本、大面积制备纳米偏振金属光栅的研究提供了一种技术途径。这种偏振器或许应用于液晶显示、红外成像系统、光电通讯等领域。

参考文献

[1] 褚金奎,王志文,张英杰,等.多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用.光学精密工程,2012;20(10):2237—2244Chui Jinkui,Wang Zhiwen,Zhang Yingjie,et al.Multi-orientatedwire grid polarizerand itsapplicationto polarization navigation.Optoelectronic Engineering,2012;20(10):2237—2244

[2] Kim J S,Lee K D,Ahn S W,et al.Fabrication of nanowire polarizer by using nanoimprint lithography.Journal of the Korean Physical Society,2004;45(DEC):S890—S892

[3] Park W I,Kim K,Jang H I,et al.Directed self-assembly with Sub100 degrees celsius processing temperature,Sub-10 nanometer resolution,and Sub-1 minute assembly time.Small,2012;8(24):3762—3768

[4] Roberts P M,Baum A,Karamath J,et al.Nanowire polarizers by guided self-assembly of block copolymers.J Nanophotonics,2014;8(1):083091—083091

[5] Watanabe M,Mizukami K.Well-ordered wrinkling patterns on chemically oxidized poly(dimethylsiloxane)surfaces.Macromolecules,2012;45(17):7128—7134

[6] Xuan Y,Guo X,Cui Y,et al.Crack-free controlled wrinkling of a bilayer film with a gradient interface.Soft Matter,2012;8(37):9603—9609

[7] 赵华君,杨守良,张东,等.亚波长金属偏振分束光栅设计分析.物理学报,2009;58(9):6236—6242Zhao Huajun,Yang Shouliang,Zhang Dong,et al.Design of polarizing beam splitters based on subwavelength metal grating.Acta Phisica Sinica,2009;58(9):6236—6242

[8] 陈伟力,金伟其,康果果,等.亚波长金属线栅的设计,制备及偏振成像实验研究.物理学报,2011;60(1):142181—142187Chen Weili,Jin Weiqi,Kang Guoguo,et al.Design and fabrication of sub-wavelength metal wire-grid and its application to experimental study of polarimetric imaging.Acta Phisica Sinica,2011;60(1):142181—142187

[9] Wu C L,Sung C K,Yao P-H,et al.Sub-15 nm linewidth gratings using roll-to-roll nanoimprinting and plasma trimming to fabricate flexible wire-grid polarizers with low colour shift.Nanotechnology,2013;24 (26):265301—265307