本书是有关化学新的分支学科纳米化学的专业书籍。全书共分为10章。第1章对纳米化学的一些基本概念进行了简单的介绍；第2～7章分别针对二氧化硅（SiO2）、金、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硒化镉（CdSe）、氧化铁及碳六种物质/材料，通过表面、尺寸、形状、自组装、缺陷和生物纳米六个方面的实例（第6章和第7章没有缺陷一节），深入浅出地介绍、阐述了纳米化学的概念和原理；第8章通过两个研究实例的发展史展示了纳米化学的魅力；第9章列出了一些纳米化学常用的表征方法；第10章简单地推测了纳米化学家将面临的一些挑战。
本书适合化学、材料科学与工程学、生物学与医学、物理学等专业的研究生、本科生、科研人员等阅读，有助于他们尽快地进入纳米化学的研究领域；同时也适合任何对纳米化学感兴趣的读者。本书也可以作为理工科院校简明纳米化学课程的教材。
译者前言
Ludovico Cademartiri博士与Geoffrey A. Ozin教授共同撰写了Concepts of Nanochemistry一书。前者于2008年4月通过了博士论文答辩，转年就出版了该书，当时仅31岁，是纳米材料与纳米化学研究领域的新秀。后者是前者的博士研究生导师，是加拿大政府在纳米化学及材料化学研究领域的首席科学家（20002014年），其Hirsch指数在2009年达到了68，位居全世界精英研究人员之列。
原著选用的SiO2、金、PDMS、CdSe、氧化铁及碳六种物质/材料，大多数（PDMS与CdSe除外）读者比较熟悉，可以更容易地理解从普通材料的常规功能到纳米材料的新功能的转化，由此更深刻地认识纳米化学的神奇力量，有利于尽快地了解和掌握纳米化学的要点和精髓，从而可以更容易地从宏观世界过渡到纳米世界的研究领域。在上述六种物质/材料对应的各章末尾，均列出一些思考题，可以引发读者更广泛、更深入的思考，并激发读者的好奇心。
通过了解纳米化学将普通材料转化为某种惊人的纳米材料的方法，应该会使读者认识到，还有许许多多新的发现和创造的可能性，并由此开拓崭新的或者更广泛、更深入的研究领域与应用前景。
纳米化学是随着纳米技术与纳米材料的发展而逐渐形成的，且目前依然处在不断发展的阶段。该书不仅在当年，即便是现在，也是一本比较全面、精练的专业教材。本书对于尚不能直接阅读英文版原著的各类人员，包括研究生、本科生、其他科研人员等，尽快地了解和深入学习纳米化学是非常有益的。希望他们通过阅读本书，能够受到启发，创造出新的合成/制备新型纳米材料/纳米结构的化学方法，为纳米化学的发展做出新的贡献。
原著作者将纳米化学定义为：纳米化学是化学的一个分支学科，主要涉及构造模块的合成与自组装以及与其表面、尺寸、形状和缺陷相关的性质，还有其在化学与物理学、材料科学与工程学以及生物学和医学等领域应用的可行性。
根据译者在纳米材料领域将近30年的研究工作，译者认为纳米化学不仅仅涉及原著作者所定义的领域或学科，还涉及所有在纳米尺度存在或出现化学问题的研究领域或学科，且随着纳米科学的不断发展，纳米化学所涉及的领域或学科也必然会不断扩展，其所包含的内容也将会更加广泛、深入，因为纳米化学也是纳米科学的一个重要的分支学科。
感谢天津大学2011级硕士研究生张蓉、李燕、阚迪、曹杰、肖文理（汉语骨干教师培训班）、张丽爽、李义伟、张竞赛、王佳、禚司飞、李玲、陈丽洁（汉语骨干教师培训班）、张园、杨鑫参与了原著的初译工作，其中肖文理、张丽爽、李义伟、禚司飞、李玲参与了各自初译稿的修改稿的录入工作。
感谢天津大学研究生创新人才项目的部分资助。
虽然译者已经尽了很大的努力，但限于经验与水平，书中难免存在一些翻译不妥与疏漏之处，敬请专家和读者批评指正。
崔屾
2021年1月于天津大学新校区
前言
为何应当关注纳米化学？
在人类历史上曾经有过许多次，因为一个科学上的重大发现而促成了社会的重大转变，如铁器、发动机、晶体管、网络以及光纤等，都是非常著名的实例。之所以如此，是因为这些新的发现对当时许多主要的假设提出了疑问，然后通过推翻这些假设，改变了人类文明。
纳米技术被认为是下一次重大转变，即下一次工业革命的核心。科学家认为，掌握纳米技术的各种可能性是未来国家之间竞争的关键。但是，纳米技术能带来什么呢？它将如何改善我们的生活、创造新的商机、解决地球所面临的重大问题呢？
许多科学家认为，纳米技术将给予发展中国家更廉价的解决问题的方案，使得发展中国家的人民身体更健康、寿命更长；还有一些科学家认为，纳米技术将带来更好的太阳能电池、体积更小运算更快的计算机、环境保护措施以及治愈癌症的方法；还有一些科学家认为，纳米技术将有助于解决全球变暖的问题。
重要的是，除了要了解围绕纳米技术的大量宣传和其许多发现所带来的乐趣外，还应当知道正是由于纳米技术的独特性，才使其成为重大转变的主因。其不仅仅是发现一个难题更好的解决方案或更明智的解决方法，而且还提供了解决问题的新的思维方式。
很多宣传引起了人们对纳米材料毒性的关注。有关石棉（一种纳米材料）的事件人们依然记忆犹新，因为至今社会仍在为其付出代价。人们不断增加的关注正在引起许多国家政府的重视，不断增强纳米材料毒性研究的资助力度。特别在医学诊断和治疗领域内的资助力度较大。
世界各国政府也看到了纳米技术在创造新企业方面的颠覆性潜力。在历史上的每次变革中，已有的行业往往不能适应新的游戏规则，它们被更小、更年轻、适应能力更强且更灵活的企业所取代。因此，没有人愿意错过这个难得的发展机遇。
政府也正在推动将纳米技术尽快地引入大学课程中。纳米工程、纳米技术和纳米科学的各种学位正在世界各地出现，而且这种转变的步伐正在影响着教师们，但是在大多数情况下，这些教师并没有接受过纳米科学方面的专业训练。这些变化必然要产生为不同水平的课程以及不同背景的学生提供教学资源的需求。传统学科的范围是有限的，由此产生了融合化学、物理、生物学、医学和材料科学与工程等学科内容的交叉学科。
在大学课程的初期阶段讲授纳米科学是有多方面原因的。一方面，让新一代研究生或本科生熟悉纳米科学的概念是非常重要的；另一方面，从一个更适宜教学的角度来讲，将纳米科学的教学安排在研究生新生或本科生阶段，将会对接受者的思维方式产生深远的影响。一个普遍的事实是，新生阶段的学习会确定一位科学家的思维模式。在学士学位的初两年中作为化学家进行培养的学生，其未来往往会成为终身的化学家。这就解释了为何许多化学专业的博士研究生难于进入纳米化学领域，同时也解释了为什么一个化学家进入一个完全不同的化学领域要比进入一个紧密相关的物理的二级学科更容易。
在研究生新生或本科生阶段讲授纳米科学课程，将给予学生以非常有效且跨学科的方法学习该课程所必需的工具。
尽管确定正确的思维模式是政策制定者和教育家的一个明确的重要目标，但是纳米科学可以帮助我们应对一个更大的挑战。在一个急于迈向以知识为驱动力的创造商机和财富的社会，人们的需求与生活习惯可能都要发生巨大的变化，研究生或本科生科学研究能力的欠缺可能是灾难性的。在北美洲，这已经成为优先考虑的重点工作之一，因为高技术公司不得不从国外聘请人才来填补其各级职位的空缺。
在研究生新生甚至本科生课程的初期阶段引入纳米科学课程可能会有助于增加研究生新生和本科生对科学的兴趣。许久以来解释科学领域的低入学率的理由是硬科学很难，这就意味着大多数学生都是懒虫。一个可能比较正确的解释则是学生们在这种硬科学中看不到出路。比起一个能生产出更好的电池阴极材料的工作来说，学生们更想要一份能够谋生的工作。现在已经给出了立足于社会的重要性，并且学生们也知道他们将总会被同龄人问到他们在学什么或在研究什么，他们想能够大声地回答这些问题，而不是低声地回答。同样地，学生们大多会喜欢一份工资高，而且能够为他们自己及其家庭提供舒适生活的工作，而不是一份声名狼藉的低薪工作。
这些明显是一些普遍情况。实际上一些同事已经用他们的许多发明挽救了数以百万计的生命，其中有些人还是百万富翁。但是隐藏在特例背后的问题却从未得到解决。
通过阅读本书，读者可以了解和学习纳米科学，从而有可能决定去解决地球所面临的一些非常重要的问题：从全球变暖到环境治理，从CO2捕获和循环利用到烃类化合物再到氢能源汽车，从发展中国家的平均寿命到治愈癌症，从任何伤口的再生到发现生命的起源。读者可以决定想要挑战什么问题；可以决定如何度过时光；可以决定期望应当在哪里，即可以决定自己的舞台。
实际上，对于许多其他的不同学科，如传统的化学和物理学，类似的事物也是成立的。不同的是，纳米科学是一个全新的事物，开启了一系列全新的可能性，但目前只有少数人可以参与其中。读者可能成为这些少数人中的一员，参与这个可能随处都可以领先的竞赛。
有了这些动机，我们便着手探索写一本适合研究生新生和本科生的学术性的教材。初以传统的方法来接近这个题目，从我们认为的基础开始。从原子、晶格结构、结构-性能的关系等开始，但很快就停止了写作，因为如此写作非常像固体化学的缩写本。
很明显，在那时我们犯了一些错误。许多来自纳米化学的论题，如嵌段共聚物，在这本书中是很难介绍的，因为它们不仅仅是固体化学的一部分。此外，本书定位为可以适合于任何背景的读者，不是专门为化学家而写的。因为几乎没有生物学家清楚检测Bravais晶格的要点，尽管他想知道使用脂质体和胶体量子点检测癌细胞时他能做什么。同样的道理，几乎没有化学家知道细胞分裂的详细机制的要点，尽管他们对如何使用金纳米棒实现单分子检测感兴趣。进一步尝试修改初稿，终不可避免地超出了大纲，包括了更多的实例和解释。
当时做了一些自我反省。我们仍然相信，可以以一种精练简洁且又完整的方式来讲授纳米化学的实例和原理。
在我们的实验室，日复一日地，看到纳米化学是如何形成之后，才有了正确的认识。我们明白了，在实验室集思广益的讨论会以及午餐会期间常常讨论的概念层次上的内容，本质上并不是化学、物理学或工程技术的问题，恰恰是纳米化学的内容。在化学方面没有什么知识背景的学生们，可以对讨论很快地做出具有重大意义的贡献，而在集体推理的基础上还会产生一些其他的概念。
这些概念就是我们认为的纳米化学的核心，是设计纳米化学解决方案中的具有持久性的指导原则，也是激发新想法产生的无限源泉。这些概念是本书的核心，也是需要掌握的纳米化学重要的方面。
本书专为初学者设计，更重视基础概念的描述，有利于初学者更轻松地掌握专业核心思想，理解基础概念，能够帮助初学者流畅地阅读专业论文，并帮助他们理解相关专业领域在纳米化学范畴所处的位置。本书中解释的概念将展示不同主题之间的内在联系。虽然不能像学术专著那样紧跟领域的发展前沿，但本书却可以提供广泛和坚实的基础，为纳米化学研究工作奠定基础。
本书也适合作为教材，课程可以设定为8～16课时（每章1课时或2课时），或者选择部分章节设定一门课时更少的课程。无论使用哪种方法，概念介绍都是部分，因为概念奠定了本书的主题，并阐明了其在纳米化学领域的意义。
总之，我们希望读者能够喜欢这本试验性的书籍。我们确信，掌握本书中的内容能够帮助您领先那些只关注和跟踪纳米化学领域未解决问题的学生。
Ludovico Cademartiri， 中文名卢多维科卡德马蒂里，1978年出生于意大利，2002年毕业于帕尔马大学大学，获得材料科学专业法学学位；于2003年到加拿大的多伦多大学留学，师从杰弗里厄津教授，攻读跨学科的化学博士学位；他的毕业论文题目是胶体的纳米结构：好奇心驱动的研究，并于2008年4月通过了毕业论文答辩。并在不久后成为哈佛大学化学与化学生物系的一名博士后研究员。
卢多维科卡德马蒂里与别人合作，创作了16本科学出版物、2本教科书，并且获得了数项奖励，其中两项是于2005年和2006年连续两年获得的材料科学学会研究生奖，其它奖项为美国化学学会化学发现和研究（DIC）青年研究者奖、加拿大化学学会的无机化学的研究生工作DIC奖、加拿大化学学会CCUCC化学博士奖以及总督金质奖（每年仅授予3名研究生，是整个多伦多大学的高学术水平的奖励）。
崔屾，天津大学理学院化学系，教授，在纳米材料领域从事将近30年的研究工作，完成国家科研项目2项、省级科研项目8项。发表论文40余篇，其中SCI收录10多篇；被SCI论文引用600余次，其中他引500多次。获得授权的中国发明专利5项。从2010年在天津大学开设面对全校硕士研究生的双语教学的纳米化学课程。
0绪论 001
纳米化学是什么？ 001
参考文献 004
1 纳米化学概述 005
1.1 纳米化学的含义 005
1.2 关于物体的表面 006
1.3 尺寸几乎就是一切 012
1.4 形状 016
1.5 自组装 019
1.6 关于缺陷的两个名词 027
1.7 生物-纳米的交集 029
1.8 安全 036
参考文献 039
2 二氧化硅 041
2.1 引言 041
2.2 表面 042
2.3 尺寸 046
2.4 形状 050
2.5 自组装 052
2.6 缺陷 059
2.7 生物纳米 062
2.8 结论 065
2.9 思考题 066
参考文献 068
3 金 071
3.1 引言 071
3.2 表面 071
3.3 尺寸 075
3.4 形状 079
3.5 自组装 082
3.6 缺陷 084
3.7 生物纳米 088
3.8 思考题 090
参考文献 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 形状 104
4.5 自组装 108
4.6 缺陷 111
4.7 生物纳米 113
4.8 思考题 116
参考文献 117
5 硒化镉 119
5.1 引言 119
5.2 表面 120
5.3 尺寸 123
5.4 形状 128
5.5 自组装 133
5.6 缺陷 136
5.7 生物纳米 139
5.8 思考题 143
参考文献 145
6 氧化铁 147
6.1 引言 147
6.2 表面 147
6.3 尺寸 152
6.4 形状 157
6.5 自组装 159
6.6 生物纳米 162
6.7 思考题 165
参考文献 166
7 碳 168
7.1 引言 168
7.2 表面 169
7.3 尺寸 174
7.4 形状 176
7.5 自组装 178
7.6 生物纳米 181
7.7 结论 183
7.8 思考题 183
参考文献 185
8 纳米化学实例的发展史 187
8.1 引言 187
8.2 实例1 188
8.3 实例2 193
8.4 结论 201
参考文献 201
9 纳米化学的诊断学 202
9.1 信息清单 202
9.2 显微技术与显微镜 203
9.2.1 透射电子显微镜（TEM） 203
9.2.2 扫描电子显微镜（SEM） 203
9.2.3 扫描透射电子显微镜（STEM） 203
9.2.4 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 203
9.2.5 选择区域电子衍射（SAED） 203
9.2.6 能量色散X射线光谱（EDX） 204
9.2.7 原子力显微镜（AFM） 204
9.2.8 扫描隧道显微镜（STM） 204
9.2.9 轮廓测定法 204
9.2.10 光学显微镜 204
9.2.11 共聚焦显微镜 205
9.2.12 偏光显微镜 205
9.3 衍射技术 205
9.3.1 X射线衍射（XRD） 205
9.3.2 中子衍射 205
9.3.3 小角X射线衍射（SAXRD） 205
9.3.4 小角X射线散射（SAXS） 206
9.4 谱分析 206
9.4.1 扩展的X射线吸收精细结构谱（EXAFS） 206
9.4.2 X射线光电子能谱（XPS） 206
9.4.3 质谱（MS） 206
9.4.4 二次离子质谱（SIMS） 206
9.4.5 卢瑟福背散射光谱（RBS） 207
9.4.6 核磁共振（NMR） 207
9.4.7 电子顺磁共振（EPR） 207
9.4.8 穆斯堡尔光谱 207
9.4.9 电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES） 207
9.4.10 紫外可见光谱（UV-VIS） 208
9.4.11 拉曼光谱 208
9.4.12 表面增强拉曼光谱（SERS） 208
9.4.13 傅立叶变换红外光谱（FTIR） 208
9.4.14 椭圆偏光法 209
9.5 磁测量 209
9.6 气相色谱分析 209
9.7 热分析 209
9.7.1 热重分析（TGA） 209
9.7.2 差示扫描量热（DSC） 210
9.8 气体吸附技术 210
9.9 电分析 210
9.9.1 电测量 210
9.9.2 电势 210
10 纳米化学面临的挑战 211
参考文献 214
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