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纳米尺寸效应

纳米尺寸效应
纳米尺寸效应

纳米尺寸效应

纳米是长度单位,原称毫微米,就是10^-9米(10亿分之一米)。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10^-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。

(1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

(2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064C℃,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27℃,2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1~

1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如,在钨颗粒中附加0.1%~0.5%重量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3000℃降低到1200~1300℃,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

(3)特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明,在趋磁细菌体内通常含有直径约为2′10-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同,大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到2′10-2微米以下时,其矫顽力可增加1千倍,若进一步减小其尺寸,大约小于6′10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

(4)特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

宏观量子隧道效应

各种元素的原子具有特定的光谱线,如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释,由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的,从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别,对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此,对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应,原有宏观规律已不再成立。电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

纳米效应的应用

纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。

一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。

纳米粒子的粒径(10纳米~100纳米)小于光波的长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。

纳米材料分类

纳米材料就是具有纳米尺度的粉末、纤维、膜或块体。科学实验证实,当常态物质被加工到极其微细的纳米尺度时,会出现特异的表面效应、体积效应和量子效应,其光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能,可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域,在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。

纳米粉末:又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于:高密度磁记录材料;吸波隐身材料;磁流体材料;防辐射材料;单晶硅和精密光学器件抛光材料;微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;太阳能电池材料;高效催化剂;高效助燃剂;敏感元件;高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。

纳米纤维:指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于:微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。

纳米膜:纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于:气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。纳米块体:是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为:超高强度材料;智能金属材料等。

专家指出,对纳米材料的认识才刚刚开始,目前还知之甚少。从个别实验中所看到的种种奇异性能,说明这是一个非常诱人的领域,对纳米材料的开发,将会为人类提供前所未有的

有用材料。

纳米科技大事记

1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品,这是关于纳米技术最早的梦想;

70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,1974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工;

1982年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用;

1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生;

1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的10倍,成为纳米技术研究的热点,诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等;

1993年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字,标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地;

1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机;

1999年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录;

到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元;

近年来,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。

纳米尺寸效应

纳米尺寸效应 纳米是长度单位,原称毫微米,就是10^-9米(10亿分之一米)。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10^-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。 (1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 (2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064C℃,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27℃,2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1~

纳米材料物理

纳米材料的基本效应 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构,使之产生四大效应,即尺寸效应(量子尺寸效应、小尺寸效应)/表(界)面效应/量子效应(宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿)/介电限域效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。 宏观尺度的金属材料在高温条件下,其能带可以看作是连续的。 (久保理论) 对于纳米金属颗粒来说,低温下能带的离散性会凸现出来。相邻电子能级之间的间隔d将随颗粒体积V的减小而增加。量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象;纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HOMO)和最低未被占据分子轨道能级(LUMO),能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应。 能带理论表明,金属费米能级附近电子能级一般是连续的,这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说,低温下能级是离散的,对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞),由久保公式可得能级间距d→0,即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零;而对纳米微粒,所包含原子数有限,N值很小,这就导致d有一定的值,即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时,必须要考虑量子尺寸效应,这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

Ag的电子数密度n = 6 × 1022/cm3,由公式 当T=1K时,能级最小间距d/kB=1,代入上式,求得d=20nm。根据久保理论,当d>kB时才会产生能级分裂,出现量子尺寸效应.由此得出,当粒径d<20nm,Ag纳米微粒变为 非金属绝缘体,如果温度高于1K,则要求d << 20nm才有可能变为绝缘体。这里应当指出,实际情况下金属变为绝缘体除了满足d>kB外,还需满足电子寿命>h/d的条件。实验表明,纳米Ag的确具有很高的电阻,类似于绝缘体,这就是说,纳米Ag满足上述两个条件。 Shift to higher energy in smaller size Discrete structure of spectra Increased absorption intensity

纳米材料四大效应

1.小尺寸效应:当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,对于晶体其周期性的边界条件将被破坏,对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小,这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化,这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 2.表面效应:是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 其实质就是小尺寸效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 3. 量子尺寸效应:当粒子尺寸降低到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应。 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。因为表面原子数目增多,比表面积大,原子配位不足,表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键,表面能高,因而导致这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化,同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料由此具有了较高的化学活性,使得纳米材料的扩散系数大,大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸附气体等等。(2)小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性,可以高效率地将

金纳米粒子的细胞毒性(一):尺寸的影响

金纳米粒子的细胞毒性(一):尺寸的影响 2016-08-16 12:45来源:内江洛伯尔材料科技有限公司作者:研发部 AuNPs 查阅文献时,在AuNPs的尺寸对细胞作用方面可以看到许多相互矛盾的报道。例如Pan 等制备了4种1.4nm左右和15 nm多种粒径的金颗粒(AuNPs),他们提出:AuNPs的毒性是尺寸依赖的,1.4 nm时表现最强毒性,尺寸小于或大于1.4 nm时毒性逐渐减弱。并且提出1.4 nm颗粒的明显毒性主要是因为它可以立体选择性地连接到B-DNA的大沟,从而造成对细胞的损伤。但是在他们的实验中,在尺寸1.4 nm之外的几个AuNPs(0.8,1.2和1.8 nm)都具有相似毒性,不具有特异性,解释难以令人信服。他们的实验还表明,当纳米颗粒大于15 nm时,是贴在细胞膜上而无害的,而Connor等则报告18 nm以下的含有各种表面修饰物(如半胱氨酸、柠檬酸钠、生物素和葡萄糖)的AuNPs对于人体细胞是无毒的,其毒性是由于所用的保护剂溴化十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)造成的。如果将CTAB去除干净,那么AuNPs对细胞是无毒的。 Shukla等报道了由赖氨酸加上聚赖氨酸共同修饰的3.5 nm AuNPs不具有毒性和免疫原性。Soenen等指出AuNPs浓度对细胞毒性的影响。他们发现4 nm的聚甲基丙烯酸保护的AuNPs在浓度10 nM时,对于多种敏感细胞系没有观察到明显的细胞参数改变,但是当浓度高于200 nM 时则引起明显的细胞毒性,他们认为这是由于增加了活性氧的原因。Wang等研究了不同形状、作用时间和表面活性剂等与尺寸小于70 nm AuNPs细胞毒性的关系,认为圆形无

纳米材料的小尺寸效应

纳米材料的小尺寸效应 吴顺康四川大学生命科学学院 2016 级生命科学拔尖班 小尺寸现象产生的原因: 纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时,微粒内包含的原子数仅为 100?10000 个,其中有 50 %左右为界原子,纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。 小尺寸效应导致的性质(以及部分应用) 由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小,光在纳米材料中传播的周期性被破坏,其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如,金属由于光反射显现各种颜色,而金属纳米微粒都呈黑色,说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质,可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材 料,可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外,金属超微颗粒的光反射率极低,可低于1%, 大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性,高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后,纳米材料的熔点显著降低,犹在颗粒直径为 10 纳米时较为明显,例如金(Au)常规熔点在1064度;然而在颗粒尺寸减少到 2纳米时仅为327度;由此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉,可以使膜厚均匀,覆盖面积大,省料而质量高。 纳米小尺寸效应的应用: 纳米材料作为功能材料与产业技术的结合,具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同,在颗粒尺寸下降到 0.02 微米以下之后,其矫顽力可增加 1000 倍,若进一步

减小尺寸,其矫顽力反而可以降到0,呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的

纳米金尺寸对应紫外峰

Supporting Information ‘Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV/vis Spectra’ Wolfgang Haiss*1,2, Nguyen T. K. Thanh1,2, Jenny Aveyard1 and David G. Fernig2 Centre for Nanoscale Science, 1Department of Chemistry, University of Liverpool, Crown Street L69 7ZD, U.K 2School of Biological Sciences, University of Liverpool, Crown Street L69 7ZB, U.K Table of Content 1. Tabular material for the determination of the size of uncoated spherical gold nanoparticles in water from UV/vis spectra. 2. Tabular Material for the determination of the concentration of uncoated spherical gold nanoparticles in water from UV/vis spectra. 3. The FORTRAN 77 program ‘mie-mfp.f’ which was used to calculate Q ext(λ,d).

(完整)量子尺寸效应

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1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散的现象,纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未 被占据的分子轨道能级,能隙变宽,由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、催化和超导性等 特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大,电阻温度 系数下降甚至变成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10~ 25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力 变为零,表现为超顺磁性。 1。1。2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等 物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面 层附近原子密度减小,导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应.例如: 光吸收显著增加,吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态转变,超导相向正常相 的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1。1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应.由于表面原子与内部原子所处的环境 不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0。01时),表面原子可以忽略,但当粒子直径 逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的比表面积、表 面能和表面结合能都发生很大变化.人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应[8,9]。 随着粒径的减小,比表面迅速增大.当粒径为5nm时,表面原子数比例达到约50%以上,当 粒径为2nm时,表面原子数达到80%,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面.庞大的表面原 子的存在导致键态严重失配,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强,主要表现在:(1)熔点降低.就熔点来说,纳 米颗粒中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅 较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时 纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔 点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时,降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时,熔点 仅为327℃;银的常规熔点为961℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。(2)比热增大。粒径越小,比热越大.(3)化学活性增加,有利于催化反应等。 1.1。4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如超微 粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应,利 用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对 基础研究及实用都具有重要的意义,它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,是未来 微电子器件的基础. 上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与 纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质,出现一 些“反常现象”。例如金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大,电阻温度系数下降甚至变 成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10nm-25nm的铁磁金属

纳米材料的形貌控制.(DOC)

纳米材料的形貌控制 1 概述 纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm),或由纳米尺度结构单元构成的材料。随着纳米材料尺寸的降低,其表面的晶体结构和电子结构发生了变化,产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应,从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域,是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质,它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1],表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。 1.1 纳米材料的特性 1.1.1 量子尺寸效应 当粒子的尺寸下降到某一临界值时,其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时,量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。 1.1.2 小尺寸效应 当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小,从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化:如熔点降低;磁有序向磁无序态,超导相向正常相的转变;光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移;声子谱发生

改变等,这种现象称为小尺寸效应。纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。 1.1.3 表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。随着材料尺寸的减小,比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。例如,当颗粒的粒径为10 nm时,表面原子数为晶粒原子总数的20%,而当粒径为l nm时,表面原子百分数增大到99%。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些原子易与其他原子相结合以降低表面能,故具有很高的化学活性。这种表面原子的活性不但能引起纳米粒子表面输运和构型的变化,也会引起电子能级和电子自旋构象的变化,从而对纳米材料的电学、光学、光化学及非线性光学性质等产生重要影响。通过利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性,可以得到超亲水和超疏水等性能可调的纳米材料,可以广泛的应用于民用工业。 1.1.4 宏观量子隧道效应 量子物理中把微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来的研究发现一些宏观量,如超微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而发生变化。故称为宏观量子隧道效应。对宏观量子隧道效应的研究对基础及应用研究都有着重要意义。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一起都将会是未来微电子、光电子器件的基础。此外,纳米粒子还具有其它的一些特殊性质,如库伦阻塞与量子隧穿及介电限域效应等。 1.2 纳米材料特性对材料性能的影响 1.2.1 电学性能 电学性能发生奇异的变化,是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束而呈现出量子限域效应。纳米材料晶界上原子体积分数增大,晶界部分

纳米材料小尺寸效应的应用

纳米材料小尺寸效应的应用 引言:提起“纳米”这个词,可能很多人都听说过,但什么是纳米,什么是纳米材料,可能很多人并不一定清楚,本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介,相信随着科学技术的发展,会有越来越多的纳米材料走进人们的生活,为人类造福。纳米技术具有极大的理论和应用价值,纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。 关键词:纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景 一、纳米材料及其性质 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散,其比表面高,具有耐高温的惰性,高活性,属活性氧化铝;多孔性;硬度高、尺寸稳定性好,具有较强的表面酸性和一定的表面碱性,被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧,特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用,尤其是在小尺寸方面的应用。 二、纳米科技的发展现状 著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点,会是一次技术革命,而且还会是一次产业革命”。随着世界发达国家对纳米研究的深入,我国对纳米材料和技术也非常重视,为推动我国纳米技术成果产业化.国家通过财政投资并带动社会投资.希望通过5—10年的努力.造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。已先后安排了许多纳米科技的研究项目,并取得显著成绩,纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。

各种尺寸纳米金的合成

Seeding Growth for Size Control of5-40nm Diameter Gold Nanoparticles Nikhil R.Jana,*Latha Gearheart,and Catherine J.Murphy* Department of Chemistry and Biochemistry,University of South Carolina,631Sumter Street, Columbia,South Carolina29208 Received March22,2001.In Final Form:August7,2001 Following a seeding growth approach,gold nanoparticles of diameters5-40nm were prepared with 10-15%standard deviation in diameter from3.5(0.7nm gold particle seeds.Particle size can be controlled by varying the ratio of seed to metal salt,and thus any size in the range5-40nm can be prepared.The method can also be scaled up to produce10-100mg of gold nanoparticles. Introduction Metal particles in the nanometer size regime show characteristic size-dependent properties different from bulk metals with the most significant size effects occurring for1-10nm diameters.1-7Consequently,extensive in-vestigations involving metallic,especially gold,nanopar-ticles as building blocks for nanoscale materials and devices are currently underway.8-19To expedite such studies,bulk quantities of particles of uniform size are necessary.There are many synthetic methods to make gold nanoparticles;20-39however,only a few methods produce particles of uniform size.The most common approach involves citrate reduction of a gold salt to produce 12-20nm size gold particles with a relatively narrow size distribution(standard deviation,~10-16%).20,21The most popular method for producing smaller gold particles was developed by Brust et al.This method utilizes borohydride reduction of gold salt in the presence of an alkanethiol capping agent to produce1-3nm particles.22 By varying the thiol concentration,sizes can be controlled between2and5nm.23Phosphine-stabilized gold clusters (1.4(0.4nm)have also been prepared and further converted to thiol-capped clusters by ligand exchange in order to improve their stability,24-30and recently phos-phine-stabilized monodispersed gold particles(1.5(0.4 nm)were prepared using a similar protocol to the Brust method.30 Most of the other methods to make small gold clusters (1-5nm)take advantage of the strong capping action of thiols.31,34,36Capping agents include disulfides,31polymers with mercapto and cyano functional groups,34and den-drimers.32,33Varying the capping agent concentration allows for size control between1and4nm with good monodispersity,but any attempts to make larger size particles(>5nm)with these procedures lead to a wider particle size distribution(standard deviation~25-100%),23,39and further narrowing of size distribution is required.40-43Occasionally,aging,annealing,or ligand *To whom correspondence should be addressed.E-mail murphy@ https://www.docsj.com/doc/1710839961.html, and jana@https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,. (1)Creighton,J.A.;Eadon,D.G.J.Chem.Soc.,Faraday Trans. 1991,87,3881. (2)Henglein,A.J.Phys.Chem.1993,97,5457. (3)Belloni,J.Curr.Opin.Colloid Interface.Sci.1996,1,184. (4)Valden,M.;Lai,X.;Goodman,D.W.Science1998,281,1647. (5)Link,S.;Burda,C.;Wang,Z.L.;El-Sayed,M.A.J.Chem.Phys. 1999,111,1255. (6)Link,S.;El-Sayed,M.A.J.Phys.Chem.B1999,103,8410. (7)Hodak,J.H.;Henglein,A.;Hartland,G.V.J.Phys.Chem.B 2000,104,9954. (8)Schmid,G.;Hornyak,G.L.Curr.Opin.Solid State Mater.Sci. 1997,2,204. (9)Whetten,R.L.;Shafigullin,M.N.;Khoury,J.T.;Schaaff,T.G.; Vezmar,I.;Alvarez,M.M.;Wilkinson,A.Acc.Chem.Res.1999,32,397. (10)Dirix,Y.;Bastiaansen,C.;Caseri,W.;Smith,P.J.Mater.Sci. 1999,34,3859. (11)Dirix,Y.;Bastiaansen,C.;Caseri,W.;Smith,P.Adv.Mater. 1999,11,223. (12)Caseri,W.Macromol.Rapid Commun.2000,21,705. (13)Kell,A.J.;Stringle,D.L.B.;Workentin,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,.Lett.2000, 2,3381. (14)Labande,A.;Astruc,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,mun.2000,1007. (15)Wu,M.L.;O’Neill,S.A.;Brousseau,L.C.;McConnell,W.P.; Shultz,D.A.;Linderman,R.J.;Feldheim,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,mun.2000, 775. (16)Hainfeld,J.F.;Powell,R.D.J.Histochem.Cytochem.2000,48, 471. (17)Templeton,A.C.;Wuelfing,M.P.;Murray,R.W.Acc.Chem. Res.2000,33,27. (18)Martin,J.E.;Wilcoxon,J.P.;Odinek,J.;Provencio,P.J.Phys. Chem.B2000,104,9475. (19)Pileni,M.P.;Tanori,J.;Filankembo,A.Colloid Surf.A1997, 123,561. (20)Turkevich,J.;Garton,G.;Stevenson,P.C.J.Colloid Sci.1954, 9,26. (21)Frens,G.Nature1973,241,20. (22)Brust,M.;Walker,M.;Bethell,D.;Schiffrin,D.J.;Whyman,R. https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,mun.1994,801. (23)Hostetler,M.J.;Wingate,J.E.;Zhong,C.J.;Harris,J.E.;Vachet, R.W.;Clark,M.R.;Londono,J.D.;Green,S.J.;Stokes,J.J.;Wignall, G.D.;Glish,G.L.;Porter,M.D.;Evans,N.D.;Murray,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,ngmuir 1998,14,17. (24)Schmid,G.;Pfeil,R.;Boese,R.;Bandrmann,F.;Meyer,S.;Calis, G.H.M.;van der Velden,J.W.A.Chem.Ber.1981,114,3634. (25)Rapoport,D.H.;Vogel,W.;Colfen,H.;Schlogl,R.J.Phys.Chem. B1997,101,4175. (26)Schmid,G.;Meyer-Zaika,W.;Pugin,R.;Sawitowski,T.;Majoral, J.P.;Caminade,A.M.;Turrin,C.O.Chem.Eur.J.A2000,6,1693. (27)Brown,L.O.;Hutchison,J.E.J.Am.Chem.Soc.1997,119, 12384. (28)Brown,L.O.;Hutchison,J.E.J.Am.Chem.Soc.1999,121,882. (29)Warner,M.G.;Reed,S.M.;Hutchison,J.E.Chem.Mater.2000, 12,3316. (30)Weare,W.W.;Reed,S.M.;Warner,M.G.;Hutchison,J.E.J. Am.Chem.Soc.2000,122,12890. (31)Yonezawa,T.;Yasui,K.;Kimizuka,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,ngmuir2001,17,271. (32)Zhao,M.Q.;Sun,L.;Crooks,R.M.J.Am.Chem.Soc.1998,120, 4877. (33)Esumi,K.;Hosoya,T.;Suzuki,A.;Torigoe,K.J.Colloid Interface Sci.2000,229,303. (34)Teranishi,T.;Kiyokawa,I.;Miyake,M.Adv.Mater.1998,10, 596. (35)Yonezawa,T.;Sutoh,M.;Kunitake,T.Chem.Lett.1997,619. (36)Chen,S.H.;Kimura,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,ngmuir1999,15,1075. (37)Green,M.;O’Brien,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,mun.2000,183. (38)Brust,M.;Bethell,D.;Kiely,C.J.;Schiffrin,https://www.docsj.com/doc/1710839961.html,ngmuir 1998,14,5425. (39)Leff,D.V.;Ohara,P.C.;Heath,J.R.;Gelbart,W.M.J.Phys. Chem.1995,99,7036. 6782Langmuir2001,17,6782-6786 10.1021/la0104323CCC:$20.00?2001American Chemical Society Published on Web10/02/2001

量子尺寸效应

1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象,纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道 和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽,由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、 催化和超导性等特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下 降而增大,电阻温度系数下降甚至变成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力变为零,表现为超顺磁性。 1.1.2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒 的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小 尺寸效应。例如:光吸收显著增加,吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态 转变,超导相向正常相的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1.1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应。由于表面原子与内部原子所处的环境不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0.01时),表面原子可以忽略,但当 粒子直径逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的 比表面积、表面能和表面结合能都发生很大变化。人们把由此引起的种种特殊效应统 称表面效应[8,9]。随着粒径的减小,比表面迅速增大。当粒径为5nm时,表面原子数比例达到约50%以上,当粒径为2nm时,表面原子数达到80%,原子几乎全部集中 到纳米粒子的表面。庞大的表面原子的存在导致键态严重失配,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强, 主要表现在:(1)熔点降低。就熔点来说,纳米颗粒中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量, 造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易 在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时,降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时,熔点仅为327℃;银的常规熔点为961℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。(2)比热增大。粒径越小,比热越大。(3)化学活性增加,有利于催化反应等。 1.1.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如超微粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观量子隧

纳米材料的基本效应

第二章纳米材料的基本效应 §第一节表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加,粒子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬空键,具有不饱和性质,因而极易与其他原子相结合而趋于稳定,具有很高的化学活性。 1、比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积 (G代表质量,m2/g) (V代表颗粒的体积;m-1) 当颗粒细化时,粒子逐渐减小时,总表面积急剧增大,比表面积相应的也急剧加大。 如:把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体,总表面积将明显增加。

随着粒径减小,表面原子数迅速增加。这是由于粒径小,总表面积急剧变大所致。例如,粒径为10nm时,比表面积为90m2/g, 粒径为5nm时,比表面积为180m2/g, 粒径下降到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。 这样高的比表面,使处于表面的原子数越来越多,同时表面能迅速增加。 2. 表面原子数的增加 由于粒子尺寸减小时,表面积增大,使处于表面的原子数也急剧增加.

3.表面能 由于表层原子的状态与本体中不同。 表面原子配位不足,因而具有较高的表面能。 如果把一个原子或分子从内部移到界面,或者说增大表面积,就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。 在T和P组成恒定时,可逆地使表面积增加dA所需的功叫表面功。 颗粒细化时,表面积增大,需要对其做功,所做的功部分转化为表面能储存在体系中。 因此,颗粒细化时,体系的表面能增加.。 由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。

(完整版)纳米材料四大效应及相关解释

纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容: 量子尺寸效应:是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应:当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。 表面效应:球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小,比表面积将会显著地增加,颗粒表面原子数相对增多,从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定,致使颗粒表现出不一样的特性,这就是表面效应。 宏观量子隧道效应:当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用: 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径下降到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级,不仅引起表面原子数的迅速增加,而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱

优质纳米金粒子基本性质及应用介绍

优质纳米金粒子基本性质及应用介绍 2016-10-28 13:52来源:内江洛伯尔材料科技有限公司作者:研发部 【产品说明】 中文名称:纳米金粒子

英文名称:Gold nanoparticles 中文别名:金纳米、纳米金胶体、奈米金粒子 CAS号:7440-57-5 【产品特性】 外观:紫红色液体 保护剂:PVP(聚维酮) PH:7.0±0.5 粒径:5-10nm 黄金纯度:99.95% 光学密度:5/cm 包装规格:按客户要求包装 保存方法:密封,4℃冰箱避光保存 【详细介绍】 纳米金即指金的微小颗粒,其直径在1~100nm,具有高电子密度、介电特性和催化作用,能与多种生物大分子结合,且不影响其生物活性。由氯金酸通过还原法可以方便地制备各种不同粒径的纳米金,其颜色依直径大小而呈红色至紫色。一般为分散在水溶液中的水溶胶,因此也被称为胶体金。 纳米金颗粒制备方法有许多,与大多数纳米粒子一样,主要可以分为物理法和化学法。物理法制备金颗粒主要是通过各种分散技术将金直接转变为纳米粒子,主要包括真空沉积法、激光消融法等方法。化学法是以金的化合物为原料,利用还原反应生成金纳米粒子,通过控制反应条件,来制备所需尺寸的颗粒。化学法主要包括:柠檬酸钠氧化还原法、模板法、电化学合成法、光化学合成法、晶种生长法、巯基配体法、微乳液法等。随着科技的进步和发展,利用细菌、真菌、酵母菌、藻类等微生物或纯天然植物提取物等无毒无害且环境友好的绿色环境法制备纳米金粒子,逐渐成为纳米技术领域一个重要的趋势[13]。 关于纳米金粒子表面修饰的研究在国内外都很活跃,目前主要运用聚合物分子、生物分子、树枝化超大分子和环境友好型分子修饰。 纳米金材料由于其基本单元都是微小尺寸的粒子故存在很多宏观粒子所不具备的物理、化学特性,包括光学效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应、久保效应以及一些其他的特殊效应;具备荧光特性、电化学特性、吸附特性以及超分子和分子识别特性等,因而广泛应用于感光、催化、生物标识、光电子学、信息存储以及表面增强拉曼散射等诸多领域,涉及材料、医学检验、临床医学、食品、化工、陶瓷、染料等行业。

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