0緒論  001
納米化學是什麼？001
參考文獻004

1納米化學概述  005
1.1納米化學的含義005
1.2關於物體的表面006
1.3尺寸幾乎就是一切012
1.4形狀016
1.5自組裝019
1.6關於缺陷的兩個名詞027
1.7生物-納米的交集029
1.8安全036
參考文獻039

2  二氧化硅  041
2.1引言041
2.2表面042
2.3尺寸046
2.4形狀050
2.5自組裝052
2.6缺陷059
2.7生物納米062
2.8結論065
2.9思考題066
參考文獻068

3  金  071 
3.1引言071
3.2表面071
3.3尺寸075
3.4形狀079
3.5自組裝082
3.6缺陷084
3.7生物納米088
3.8思考題090
參考文獻092

4  聚二甲基硅氧烷  094
4.1引言094
4.2表面095
4.3尺寸099
4.4形狀104
4.5自組裝108
4.6缺陷111
4.7生物納米113
4.8思考題116
參考文獻117

5  硒化鎘  119   
5.1引言119
5.2表面120
5.3尺寸123
5.4形狀128
5.5自組裝133
5.6缺陷136
5.7生物納米139
5.8思考題143
參考文獻145

6  氧化鐵  147  
6.1引言147
6.2表面147
6.3尺寸152
6.4形狀157
6.5自組裝159
6.6生物納米162
6.7思考題165
參考文獻166

7  碳  168  
7.1引言168
7.2表面169
7.3尺寸174
7.4形狀176
7.5自組裝178
7.6生物納米181
7.7結論183
7.8思考題183
參考文獻185

8  納米化學實例的發展史  187  
8.1引言187
8.2實例1188
8.3實例2193
8.4結論201
參考文獻201

9  納米化學的診斷學  202
9.1信息清單202
9.2顯微技術與顯微鏡203
9.2.1透射電子顯微鏡（TEM）203
9.2.2掃描電子顯微鏡（SEM）203
9.2.3掃描透射電子顯微鏡（STEM）203
9.2.4高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）203
9.2.5選擇區域電子衍射（SAED）203
9.2.6能量色散X射線光譜（EDX）204
9.2.7原子力顯微鏡（AFM）204
9.2.8掃描隧道顯微鏡（STM）204
9.2.9輪廓測定法204
9.2.10光學顯微鏡204
9.2.11共聚焦顯微鏡205
9.2.12偏光顯微鏡205
9.3衍射技術205
9.3.1X射線衍射（XRD）205
9.3.2中子衍射205
9.3.3小角X射線衍射（SAXRD）205
9.3.4小角X射線散射（SAXS）206
9.4譜分析206
9.4.1擴展的X射線吸收精細結構譜（EXAFS）206
9.4.2X射線光電子能譜（XPS）206
9.4.3質譜（MS）206
9.4.4二次離子質譜（SIMS）206
9.4.5盧瑟福背散射光譜（RBS）207
9.4.6核磁共振（NMR）207
9.4.7電子順磁共振（EPR）207
9.4.8穆斯堡爾光譜207
9.4.9電感耦合等離子體原子發射光譜（ICP-AES）207
9.4.10紫外可見光譜（UV-VIS）208
9.4.11拉曼光譜208
9.4.12表面增強拉曼光譜（SERS）208
9.4.13傅立葉變換紅外光譜（FTIR）208
9.4.14橢圓偏光法209
9.5磁測量209
9.6氣相色譜分析209
9.7熱分析209
9.7.1熱重分析（TGA）209
9.7.2差示掃描量熱（DSC）210
9.8氣體吸附技術210
9.9電分析210
9.9.1電測量210
9.9.2電勢210

10  納米化學面臨的挑戰  211    

參考文獻  214  

譯者前言
Ludovico Cademartiri博士與Geoffrey A. Ozin教授共同撰寫了Concepts of Nanochemistry一書。前者於2008年4月通過了博士論文答辯，轉年就出版了該書，當時僅31歲，是納米材料與納米化學研究領域的新秀。後者是前者的博士研究生導師，是加拿大政府在納米化學及材料化學研究領域的首席科學家（2000—2014年），其Hirsch指數在2009年達到了68，位居全世界精英研究人員之列。
原著選用的SiO2、金、PDMS、CdSe、氧化鐵及碳六種物質/材料，大多數（PDMS與CdSe除外）讀者比較熟悉，可以更容易地理解從普通材料的常規功能到納米材料的新功能的轉化，由此更深刻地認識納米化學的神奇力量，有利於盡快地了解和掌握納米化學的要點和精髓，從而可以更容易地從宏觀世界過渡到納米世界的研究領域。在上述六種物質/材料對應的各章末尾，均列出一些思考題，可以引發讀者更廣泛、更深入的思考，並激發讀者的好奇心。
通過了解納米化學將普通材料轉化為某種驚人的納米材料的方法，應該會使讀者認識到，還有許許多多新的發現和創造的可能性，並由此開拓嶄新的或者更廣泛、更深入的研究領域與應用前景。
納米化學是隨著納米技術與納米材料的發展而逐漸形成的，且目前依然處在不斷發展的階段。該書不僅在當年，即便是現在，也是一本比較全面、精練的專業教材。本書對於尚不能直接閱讀英文版原著的各類人員，包括研究生、本科生、其他科研人員等，盡快地了解和深入學習納米化學是非常有益的。希望他們通過閱讀本書，能夠受到啟發，創造出新的合成/制備新型納米材料/納米結構的化學方法，為納米化學的發展做出新的貢獻。
原著作者將納米化學定義為：納米化學是化學的一個分支學科，主要涉及構造模塊的合成與自組裝以及與其表面、尺寸、形狀和缺陷相關的性質，還有其在化學與物理學、材料科學與工程學以及生物學和醫學等領域應用的可行性。
根據譯者在納米材料領域將近30年的研究工作，譯者認為納米化學不僅僅涉及原著作者所定義的領域或學科，還涉及所有在納米尺度存在或出現化學問題的研究領域或學科，且隨著納米科學的不斷發展，納米化學所涉及的領域或學科也必然會不斷擴展，其所包含的內容也將會更加廣泛、深入，因為納米化學也是納米科學的一個重要的分支學科。
感謝天津大學2011級碩士研究生張蓉、李燕、闞迪、曹傑、肖文理（漢語骨干教師培訓班）、張麗爽、李義偉、張競賽、王佳、禚司飛、李玲、陳麗潔（漢語骨干教師培訓班）、張園、楊鑫參與了原著的初譯工作，其中肖文理、張麗爽、李義偉、禚司飛、李玲參與了各自初譯稿的修改稿的錄入工作。
感謝天津大學研究生創新人纔項目的部分資助。
雖然譯者已經盡了很大的努力，但限於經驗與水平，書中難免存在一些翻譯不妥與疏漏之處，敬請專家和讀者批評指正。

崔屾
2021年1月於天津大學新校區

前言
為何應當關注納米化學？
在人類歷史上曾經有過許多次，因為一個科學上的重大發現而促成了社會的重大轉變，如鐵器、發動機、晶體管、網絡以及光纖等，都是非常著名的實例。之所以如此，是因為這些新的發現對當時許多主要的假設提出了疑問，然後通過推翻這些假設，改變了人類文明。
納米技術被認為是下一次重大轉變，即下一次工業革命的核心。科學家認為，掌握納米技術的各種可能性是未來國家之間競爭的關鍵。但是，納米技術能帶來什麼呢？它將如何改善我們的生活、創造新的商機、解決地球所面臨的重大問題呢？
許多科學家認為，納米技術將給予發展中國家更廉價的解決問題的方案，使得發展中國家的人民身體更健康、壽命更長；還有一些科學家認為，納米技術將帶來更好的太陽能電池、體積更小運算更快的計算機、環境保護措施以及治愈癌癥的方法；還有一些科學家認為，納米技術將有助於解決全球變暖的問題。
重要的是，除了要了解圍繞納米技術的大量宣傳和其許多發現所帶來的樂趣外，還應當知道正是由於納米技術的獨特性，纔使其成為重大轉變的主因。其不僅僅是發現一個難題更好的解決方案或更明智的解決方法，而且還提供了解決問題的新的思維方式。
很多宣傳引起了人們對納米材料毒性的關注。有關石棉（一種納米材料）的事件人們依然記憶猶新，因為至今社會仍在為其付出代價。人們不斷增加的關注正在引起許多國家政府的重視，不斷增強納米材料毒性研究的資助力度。特別在醫學診斷和治療領域內的資助力度較大。
世界各國政府也看到了納米技術在創造新企業方面的顛覆性潛力。在歷史上的每次變革中，已有的行業往往不能適應新的遊戲規則，它們被更小、更年輕、適應能力更強且更靈活的企業所取代。因此，沒有人願意錯過這個難得的發展機遇。
政府也正在推動將納米技術盡快地引入大學課程中。納米工程、納米技術和納米科學的各種學位正在世界各地出現，而且這種轉變的步伐正在影響著教師們，但是在大多數情況下，這些教師並沒有接受過納米科學方面的專業訓練。這些變化必然要產生為不同水平的課程以及不同背景的學生提供教學資源的需求。傳統學科的範圍是有限的，由此產生了融合化學、物理、生物學、醫學和材料科學與工程等學科內容的交叉學科。
在大學課程的初期階段講授納米科學是有多方面原因的。一方面，讓新一代研究生或本科生熟悉納米科學的概念是非常重要的；另一方面，從一個更適宜教學的角度來講，將納米科學的教學安排在研究生新生或本科生階段，將會對接受者的思維方式產生深遠的影響。一個普遍的事實是，新生階段的學習會確定一位科學家的思維模式。在學士學位的初兩年中作為化學家進行培養的學生，其未來往往會成為終身的化學家。這就解釋了為何許多化學專業的博士研究生難於“進入”納米化學領域，同時也解釋了為什麼一個化學家進入一個完全不同的化學領域要比進入一個緊密相關的物理的二級學科更容易。
在研究生新生或本科生階段講授納米科學課程，將給予學生以非常有效且跨學科的方法學習該課程所必需的工具。
盡管確定正確的思維模式是政策制定者和教育家的一個明確的重要目標，但是納米科學可以幫助我們應對一個更大的挑戰。在一個急於邁向以知識為驅動力的創造商機和財富的社會，人們的需求與生活習慣可能都要發生巨大的變化，研究生或本科生科學研究能力的欠缺可能是災難性的。在北美洲，這已經成為優先考慮的重點工作之一，因為高技術公司不得不從國外聘請人纔來填補其各級職位的空缺。
在研究生新生甚至本科生課程的初期階段引入納米科學課程可能會有助於增加研究生新生和本科生對科學的興趣。許久以來解釋科學領域的低入學率的理由是“硬科學很難”，這就意味著大多數學生都是“懶蟲”。一個可能比較正確的解釋則是學生們在這種硬科學中看不到出路。比起一個能生產出更好的電池陰極材料的工作來說，學生們更想要一份能夠謀生的工作。現在已經給出了“立足”於社會的重要性，並且學生們也知道他們將總會被同齡人問到他們在學什麼或在研究什麼，他們想能夠大聲地回答這些問題，而不是低聲地回答。同樣地，學生們大多會喜歡一份工資高，而且能夠為他們自己及其家庭提供舒適生活的工作，而不是一份聲名狼藉的低薪工作。
這些明顯是一些普遍情況。實際上一些同事已經用他們的許多發明挽救了數以百萬計的生命，其中有些人還是百萬富翁。但是隱藏在特例背後的問題卻從未得到解決。
通過閱讀本書，讀者可以了解和學習納米科學，從而有可能決定去解決地球所面臨的一些非常重要的問題：從全球變暖到環境治理，從CO2捕獲和循環利用到烴類化合物再到氫能源汽車，從發展中國家的平均壽命到治愈癌癥，從任何傷口的再生到發現生命的起源。讀者可以決定想要挑戰什麼問題；可以決定如何度過時光；可以決定期望應當在哪裡，即可以決定自己的舞臺。
實際上，對於許多其他的不同學科，如傳統的化學和物理學，類似的事物也是成立的。不同的是，納米科學是一個全新的事物，開啟了一繫列全新的可能性，但目前隻有少數人可以參與其中。讀者可能成為這些少數人中的一員，參與這個可能隨處都可以領先的競賽。
有了這些動機，我們便著手探索寫一本適合研究生新生和本科生的學術性的教材。初以傳統的方法來接近這個題目，從我們認為的基礎開始。從原子、晶格結構、結構-性能的關繫等開始，但很快就停止了寫作，因為如此寫作非常像固體化學的縮寫本。
很明顯，在那時我們犯了一些錯誤。許多來自納米化學的論題，如嵌段共聚物，在這本書中是很難介紹的，因為它們不僅僅是固體化學的一部分。此外，本書定位為可以適合於任何背景的讀者，不是專門為化學家而寫的。因為幾乎沒有生物學家清楚檢測Bravais晶格的要點，盡管他想知道使用脂質體和膠體量子點檢測癌細胞時他能做什麼。同樣的道理，幾乎沒有化學家知道細胞分裂的詳細機制的要點，盡管他們對如何使用金納米棒實現單分子檢測感興趣。進一步嘗試修改初稿，終不可避免地超出了大綱，包括了更多的實例和解釋。
當時做了一些自我反省。我們仍然相信，可以以一種精練簡潔且又完整的方式來講授納米化學的實例和原理。
在我們的實驗室，日復一日地，看到納米化學是如何形成之後，纔有了正確的認識。我們明白了，在實驗室集思廣益的討論會以及午餐會期間常常討論的概念層次上的內容，本質上並不是化學、物理學或工程技術的問題，恰恰是納米化學的內容。在化學方面沒有什麼知識背景的學生們，可以對討論很快地做出具有重大意義的貢獻，而在集體推理的基礎上還會產生一些其他的概念。
這些概念就是我們認為的納米化學的核心，是設計納米化學解決方案中的具有持久性的指導原則，也是激發新想法產生的無限源泉。這些概念是本書的核心，也是需要掌握的納米化學重要的方面。
本書專為初學者設計，更重視基礎概念的描述，有利於初學者更輕松地掌握專業核心思想，理解基礎概念，能夠幫助初學者流暢地閱讀專業論文，並幫助他們理解相關專業領域在納米化學範疇所處的位置。本書中解釋的概念將展示不同主題之間的內在聯繫。雖然不能像學術專著那樣緊跟領域的發展前沿，但本書卻可以提供廣泛和堅實的基礎，為納米化學研究工作奠定基礎。
本書也適合作為教材，課程可以設定為8～16課時（每章1課時或2課時），或者選擇部分章節設定一門課時更少的課程。無論使用哪種方法，概念介紹都是部分，因為概念奠定了本書的主題，並闡明了其在納米化學領域的意義。
總之，我們希望讀者能夠喜歡這本試驗性的書籍。我們確信，掌握本書中的內容能夠幫助您領先那些隻關注和跟蹤納米化學領域未解決問題的學生。