材料性能與材料顆粒的大小、形貌密切相關(guān)，而材料的光、電、磁學(xué)等宏觀性能也很大程度的依賴材料的顆粒大小和形狀均勻程度。窄粒度分布（近似單分散分布）納米二氧化硅微球具有分散性好、比表面積巨大、極好的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，已成為現(xiàn)代的研究熱點(diǎn)。近年來，新材料和先進(jìn)制造技術(shù)正在迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，精確控制粉末原料的物理化學(xué)性能，制備出高純、球形、粒度分布窄、活性高且分布均勻的材料是眾多科研工作者追求的目標(biāo)。由于單分散體系的顆粒均一且表面性質(zhì)相同，賦予其很多獨(dú)特的性質(zhì)和越來越廣泛的應(yīng)用。

      納米二氧化硅微球的應(yīng)用：

      單分散球形SiO2是無定型白色粉末,是一種無毒、無味、無污染的非金屬材料。球形, 呈絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，具有對(duì)抗紫外線的光學(xué)性能。目前,人們已經(jīng)可以在一定規(guī)模上制備出納米級(jí)的單分散球形二氧化硅（又稱SiO2膠體球）,并且已在陶瓷制品、橡膠改性、塑料、涂料、生物細(xì)胞分離和醫(yī)學(xué)工程、防曬劑、顏料等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

      信息量的爆炸式增長(zhǎng)要求電子器件向小型化、高度集成化的方向發(fā)展。但是，以電子技術(shù)為核心的半導(dǎo)體技術(shù)的研究卻難以滿足現(xiàn)實(shí)的要求。眾所周知，光子的速度比電子的要快，因此，人們開始把希望的目光投向光子,提出了用光子代替電子作為信息載體的設(shè)想。貝爾中心實(shí)驗(yàn)室和普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室各自提出了光子晶體的概念。此后,光子晶體被認(rèn)為是未來的半導(dǎo)體。SiO2膠體球有易于制備和粒徑大小可控的特點(diǎn),成為目前應(yīng)用最廣泛的制備光子晶體的材料。該晶體是制作許多功能材料和器件，如各種傳感器、過濾器、開關(guān)的潛在材料。但是,SiO2膠體球表面能高,處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài),極易聚集成團(tuán)，同時(shí)二氧化硅表面親水疏油,在有機(jī)介質(zhì)中難于均勻分散,從而很難組裝形成完整有序光子晶體結(jié)構(gòu)。需要對(duì)其進(jìn)行表面改性，來解決納米二氧化硅的分散性和與有機(jī)基體的相容性問題。如何降低SiO2膠體球的表面能和提高微球之間的靜電排斥作用成為研究的重點(diǎn)。

      其他方面的應(yīng)用： 1、可制備SiO2膠體探針，應(yīng)用在表面力測(cè)定中。 2、中空介孔的 SiO2膠體球具有很高的比表面積和空容，可以作為封裝時(shí)的干燥劑使用。 3、由于SiO2膠體球高化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，也可用于催化劑載體和藥物載體。  4、SiO2膠體球引入熒光染料，可制得熒光微球，在生物醫(yī)學(xué)成像和免疫測(cè)定中有廣泛應(yīng)用。

      納米級(jí)的單分散球形二氧化硅的制備：

      1、重力場(chǎng)沉降法  重力場(chǎng)沉降法是目前最簡(jiǎn)單的一種組裝方法。這種方法是模擬自然條件下Opal的形成過程,因此又稱自然組裝過程。隨著膠體小球的沉降,容器底部膠體小球的濃度逐漸增加,當(dāng)膠體球的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定范圍(約74%)并處于熱力學(xué)上平衡態(tài)時(shí)會(huì)自發(fā)完成無序相到有序相的轉(zhuǎn)變,這一過程看似簡(jiǎn)單,實(shí)際上仍需考慮包括了膠體球的沉淀、布朗運(yùn)動(dòng)、晶相的成核與長(zhǎng)大等一系列復(fù)雜因素。由于重力沉降時(shí)間較長(zhǎng),無法精確控制沉降層數(shù),產(chǎn)物通常是多晶結(jié)構(gòu),包含fcc、bcc、rhcp甚至無序堆積,其單晶區(qū)域一般也很小,并且得到的樣品通常十分脆弱,需要額外處理增加其機(jī)械強(qiáng)度。因此科學(xué)家也曾嘗試?yán)闷渌?chǎng)如離心場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)膠體晶體自組裝。

 
      2、垂直沉積法  為了解決重力沉降法制備的膠體晶體有序尺寸小、結(jié)構(gòu)呈多晶相的問題,采用垂直沉積法制備膠體SiO2光子晶體。垂直沉降法是自組裝膠體晶體較成熟的方法,優(yōu)點(diǎn)是組裝膜的質(zhì)量較好,費(fèi)用低。將基片垂直浸入含有單分散微球的膠體溶液中,當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí),液體表面慢慢降落,微球在毛細(xì)壓力作用下,在基片表面自組裝為周期排列結(jié)構(gòu),形成膠體晶體,此即垂直沉淀法。利用垂直沉積法將不同直徑以及同一直徑不同濃度的SiO2,膠體微球分別進(jìn)行自組裝,可制得多種膠體光子晶體薄膜。  
   

       目前，單分散二氧化硅微球的制備方法趨于成熟，但是，更環(huán)保、更安全、更節(jié)約的制備方案還有待我們探索。人們?yōu)楂@得更大體積和更少缺陷的膠體晶體三維有序結(jié)構(gòu)，正在不斷地開發(fā)著更新、更便捷的方法。但是存在于這些方法間的組裝機(jī)理卻是人們至今尚未完全認(rèn)識(shí)和了解的，需要做的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目還有很多。

(粉體圈 作者：梧桐）