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纳米材料的定义

纳米材料的定义
纳米材料的定义

纳米材料的定义

指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米技术

1)至少有一维处于0.1~100nm;

(2)因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。

.5 自然界的纳米技术

★人体和兽类的牙齿

★海洋中的生命粒子

★蜜蜂的“罗盘”-腹部的磁性纳米粒子

★螃蟹的横行-磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱

★海龟在大西洋的巡航-头部磁性粒子的导航

★荷花出污泥而不染等

二、纳米材料性能

纳米材料的微粒特性

纳米微粒具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,

小尺寸效应,表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子,这就使得它具有广阔应用前景。

2、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和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低末被占据的分子轨道能级,这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

3、小尺寸效应

纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长、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,晶体周期性边界条件将会被破坏;非晶态纳米粒子表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。

4、表面界面效应

纳米颗粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。随尺寸减小,表面原子数迅速增加: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,例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。

5、宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称隧道效应。

§2.2.1 热学性能

纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体材料,具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、畴界等)。

由于界面原子的振动焓、熵和组态焓、熵明显不同于点阵原子,使纳米材料表现出一系列与普通多晶体材料明显不同的热学特性,如比热容升高、热膨胀系数增大、熔点降低等。

纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相关。

熔点下降的原因:

由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大(为原子运动提供动力),纳米粒子熔化时所需增加的内能小,这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

超细颗粒的熔点下降,对粉末冶金工业具有一定吸引力。

§2.2.2 光学性能

(1)宽频带强吸收

当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,便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。

(2)蓝移和红移现象

A 蓝移

与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象,即吸收带移向短波长方向。纳米微粒吸收带“蓝移”的解释:

一、量子尺寸效应

由于颗粒尺寸下降能隙变宽,这就导致光吸收带移向短波方向。

Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释:已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大,这是产生蓝移的根本原因,这种解释对半导体和绝缘体都适用。

B 红移

在一些情况下,粒径减小至纳米级时光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移向长波长。

吸收光谱的红移现象的原因

由于表面或界面效应,引起纳米微粒的表面张力增大,使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变,带隙变窄所引起的。

6.3 液相法制备纳米微粒液相法制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的颗粒,得到所需粉末的前驱体,热解后得到纳米微粒。Solution-based method

液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确等优点,主要用于氧化物系超微粉的制备。

液相法包括沉淀法,水解法,水热法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法,其中应用最广的是沉淀法、溶胶-凝胶法。

§6.3 .1 沉淀法precipitation method

沉淀法是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂(如OH--,CO32-等)后,或在一定温度下使溶液发生水解,形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,并将溶剂和溶液中原有的阴离子除去,经热分解或脱水即得到所需的化合物粉料。

分类:沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法等。

(1)共沉淀法

含多种(两种或两种以上)阳离子的溶液中加入沉淀剂后,所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。

它又可分成单相共沉淀法和混合物共沉淀法。

均相沉淀法

一般的沉淀过程是不平衡的,但如果控制溶液中的沉淀剂浓度,使之缓慢地增加,则使溶液中的沉淀处于平衡状态,且沉淀能在整个溶液中均匀地出现,这种方法称为均相沉淀。

水热法是在高压釜里的高温、高压反应环境中,采用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解,在高压环境下制备纳米微粒的方法。

一、水热条件下水的特性

在高温高压的水热体系中,水的性质将产生下列变化。

1 水热介质—水热条件下水的粘度的变化。

如下图:在稀薄气体状态,水的粘度随温度的升高而增大,但被压缩成稠密液体状态时,其粘度随温度的升高而降低。

由于扩散与溶液的粘度成正比,因此在水热溶液中存在十分有效的扩散,从而使得水热晶体生长较其它水溶液晶体生长更高的生长速率。

2 化合物在水热溶液中的溶解度

由于粘度随温度的升高而降低,有助于提高化合物在水热溶液中的溶解度。

可以根据溶解度设计反应:

在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度,于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物。

如果氧化物在高温高压下溶解度大于相对应氢氧化物,则无法通过水热法来合成。

总之,水热条件下,水对反应的进行起重要的作用:

1)、有时作为化学组分起化学反应

2)、反应和重排的促进剂

3)、起压力传递介质的作用

4)、起溶剂的作用

5)、提高物质的溶解度

三、水热法制备纳米材料的特色

水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法,与溶胶凝胶法、共沉淀法等其它湿化学方法的主要区别在于温度和压力。

水热法通常使用的温度在130~250℃之间,相应的水蒸汽压是0.3~4 MPa。

1、水热技术具有以下特点:

1)、其温度相对较低。对比气相法

2)、在封闭容器中进行,避免了组分的挥发。

3)、体系一般处于非理想、非平衡状态。

4)、溶剂处于接近临界、临界或超临界状态。

2、与一般湿化学法相比较的优势:

(1)水热可直接得到分散且结晶良好的微粒,不需作高温灼烧处理,避免了可能形成的微粒硬团聚。水热过程中通过调节反条件可控制纳米微粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度。该法生产的粉体有较低的表面能,所以粉体无团聚或少团聚,这一特性使粉体烧结性能大大提高,因而该法特别适用于陶瓷生产。

3、水热法的不足:

1)一般只能制备氧化物粉体,关于晶核形成过程和晶体生长过程的控制影响因素等很多方面缺乏深入研究,目前还没有得出令人满意的解释。

2)水热法需要高温高压步骤,对生产设备的依赖性比较强,影响和阻碍了水热法的发展。溶胶-凝胶法

基本原理是:

将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到无机材料。

溶胶—凝胶法包括以下几个过程:溶胶的制备;溶胶—凝胶转化;凝胶干燥。

一般来讲,模板法根据其模板自身的特点和局限性的不同可以分为“硬模板”法和“软模板”法。

一、“硬模板”法

硬模板多是利用材料的内表面或外表面为模板,填充到模板的单体进行化学或电化学反应,

通过控制反应时间,除去模板后可以得到纳米颗粒、纳米棒,纳米线或纳米管,空心球和多孔材料等。经常使用的硬模板包括分子筛,多孔氧化铝膜,径迹蚀刻聚合物膜,聚合物纤维,纳米碳管和聚苯乙烯微球等等

与软模板相比,硬模板在制备纳米结构方面有着更强的限域作用,能够严格控制纳米材料的大小和尺寸。

但是,“硬模板”法合成低维材料的后处理一般都比较麻烦,往往需要用一些强酸、强碱或有机溶剂除去模板,这不仅增加了工艺流程,而且容易破坏模板内的纳米结构。

另外,反应物与模板的相容性也影响着纳米结构的形貌。

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空: 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时,可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束,仅能在个方向自由运动,即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的,又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低,其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面,包括、等 9.根据原料的不同,溶胶-凝胶法可分为: 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成:、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小,其带隙增加,相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动,即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向,可将其分成三种结构:、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题:(每题5分,总共45分) 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些? 2、纳米材料的分类? 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别? 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导(电阻)有什么不同于粗晶材料电导的特点? 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么? 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响?画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技,是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学;同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构? 答:纳米材料:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料,即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料,大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类;纳米材料有两层含义: 其一,至少在某一维方向,尺度小于100nm,如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜,或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm,如纳米晶合金中的晶粒;其二,尺度效应:即当尺度减小到纳米范围,材料某种性质发生神奇的突变,具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构:以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技? 答:纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问;同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义? 答:纳米尺度下的物质世界及其特性,是人类较为陌生的领域,也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后,再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现,这也是新技术发展的源头;纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现,我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的,在这一尺度下,充满了原始创新的机会因此,对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题,科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度?举例说明 答:零维:团簇、量子点、纳米粒子 一维:纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维:纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维:纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答: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 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 量子尺寸效应:当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,会出现纳米材料

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前,首先说明如下几个基本概念: (1)关于颗粒及颗粒度的概念 (i)晶粒:是指单晶颗粒,即颗粒内为单相,无晶界。 (ii)一次颗粒:是指含有低气孔率的一种独立的粒子,颗粒内部可以有界面,例如相界、晶界等。 (iii)团聚体:是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 (iv)二次颗粒:是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒,它的结构可以是晶态、非晶态和准晶,可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时,微粒的粒径才与晶粒尺寸(晶粒度)相同。 (2)颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说,颗粒尺寸(粒径)是指其直径。对不规则颗粒,尺寸的定义常为等当直径,如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多,这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法,因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上,待悬浮液中的载液(例如乙醇)挥发后,放入电镜样品台,尽量多拍摄有代表性的电镜像,然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种:(i)交叉法:用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度,然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子(1.56)来获得平均粒径;(ii)测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度,颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。(iii)求出颗粒的粒径或等当半径,画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图,将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径,这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时,首先需用超声波分散法,使超微粉分散在载液中,有时候很难使它们全部分散成一次颗粒,特别是纳米粒子很难分散,结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体,在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性,这是因为电镜观察用的粉体是极少的,导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法(谢乐公式) 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时,该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时,测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

浅谈纳米材料与生活

浅谈纳米材料与生活 摘要:人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期,计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪,在这个日新月异的新的世纪里,科学家通过运用的发达的计算机技术,为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术,它有着广阔的发展前景,随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化,给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点,向大家普及纳米材料的特性,以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际,向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止,它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利,我相信在纳米技术不断进步、发展的未来,纳米材料一定有更广阔的空间。 关键词:纳米、纳米技术、纳米材料、应用 现如今,科学界普遍认为,纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机,他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”,并将成为最有前途的材料,它所见具有的独特物理和化学性质,可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境,它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。 纳米材料的特性: 纳米材料是英文“napometer”的译音,是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一,用我们能看见的最小微粒院子来表示的话,相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度,遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右,一个典型的病毒大约100纳米长,相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米,并没有物理内涵,当物质到纳米尺度后,

纳米材料学教案

《纳米材料》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号:2 中文名称:纳米材料 英文名称:Nano-materials 适用专业:化学工程与工艺 课程类别:专业选修课 开课时间:第5学期 总学时:32 总学分:2 二、课程简介(字数控制在250以内) 《纳米材料》是化学工程与工艺专业的一门专业选修课,本课程系统地讲授各类纳米材料的概念、制备方法、结构和性能特征以及表征技术和方法,在此基础上,对其发展前景进行了展望。通过本课程的学习,引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解,帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景,从而启迪大学生的创新思维,拓宽其科学视野,培养他们对纳米科技的学习兴趣。 三、相关课程的衔接 与相关课程的前后续关系。 预修课程(编号):高等数学B1(210102000913)、高等数学B2(210102000713)、物理化学A1(2)、物理化学A2(2),无机化学(A1)(2)、无机化学(A2)(2)。 并修课程(编号):无特别要求 四、教学的目的、要求与方法 (一)教学目的 通过本课程的学习,引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解,帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景,从而启迪大学生的创新思维,拓宽其科学视野,培养他们对纳米科技的学习兴趣。 (二)教学要求 掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状,对未来发展前景有一定的认识。

(三)教学方法 本课程遵循科学性、系统性、循序渐进、少而精和理论联系实际的教学原则,结合最新的研究成果着重讲述有关纳米材料的基本理论、理论知识的应用。本课程以课堂讲授教学为主,教学环节还包括学生课前预习、课后复习,习题,答疑、期末考试等。 五、教学内容(实验内容)及学时分配 (1学时) 第一章绪论(2学时) 1、教学内容 1.1纳米科技的基本内涵 1.2纳米科技的研究意义 1.3纳米材料的研究历史 1.4纳米材料的研究范畴 1.5纳米化的机遇与挑战 2、本章的重点和难点 本章重点是纳米科技与纳米材料的基本概念。 第二章纳米材料的基本效应(2学时) 1、教学内容 2.1 小尺寸效应 2.2 表面效应 2.3 量子尺寸效应 2.4宏观量子隧道效应 2.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 2.6 介电限域效应 2.7 量子限域效应 2.8 应用实例 2、本章的重点和难点 重点:纳米材料的表面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应。难点:宏观量子隧道效应。 第三章零维纳米结构单元(4学时) 1、教学内容 3.1 原子团簇

石墨烯纳米材料及其应用

墨烯纳米材料及其应

二?一七年十二月

摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签

石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质,特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性,使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词:石墨烯;碳材料;环境问题;纳米材料 1引言 随着世界人口的增长,农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气,土壤和水生生态系统受到严重的污染;全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响,并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中,纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质,可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理,能源生产和传感方面已经有了诸多应用,越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料,其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”,被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性,包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域,石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料,其作为下一代水处理膜的构件,常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构()。在石墨烯平面内,碳原子以六兀环形式周期性排列,每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连,S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合,组成sp2杂化结构,具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生,最初是通过微机械剥离,使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov

纳米材料

绪论 1、纳米科技的提出:源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。Richard Feynman:世界上首位提出纳米科技构想的科学家。 2、纳米材料 (1)纳米材料的定义:物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度,或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料(也是以维数划分纳米材料的原因) (2)纳米尺度:1-100 nm范围的几何尺; 纳米的单位:1 nm = 10^-9 m,即千分之一微米(μm)。 (3)纳米结构单元:具有纳米尺度结构特征的物质单元,包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等 (4)纳米材料的维度: ○1零维:纳米团簇、纳米颗粒、量子点(三维尺度均为纳米级,没有明显的取向性,近等轴状) ○2一维:纳米线、纳米棒、纳米管(单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限,、直径大于100 nm,具有纳米结构) ○3二维:纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜(一维尺度为纳米级,面状分布,,厚度大于100 nm,具有纳米结构) ○4三维:纳米花、四脚针等(包含纳米结构单元,三维尺寸均超过纳米尺度,由不同型低维纳米结构单元复合形成) (5)纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料 ○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料 3、久保理论:即金属的超微粒子将出现量子限域效应,显示出与块体金属显著不同的性能;金属纳米粒子,量子限域效应。 4、扫描隧道电子显微镜(STM):将探针靠近导电材料表面进行扫描,获得表面图像。分辨率达0.1~0.2 nm,可以直接观察和移动原子。 5、原子力显微镜(AFM):利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。可用于研究半导体、导体和绝缘体。 AFM三大特点:原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。6、纳米科技的研究内容:纳米科学、纳米技术与纳米工程 分支学科:纳米力学:研究物体在纳米尺度的力学性质 纳米物理学:研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征 纳米化学:研究纳米尺度范围的化学过程及反应 纳米生物学:利用纳米的手段解决生物学问题,在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制; 纳米医学:利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科 纳米材料学:包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。 成分:是影响性能的基础 结构:决定材料性能的关键材料 性能:各种物理或化学性质 效能:材料在使用条件下的表现

纳米材料习题答案

纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。 答:最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围,或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数,纳米材料可分为三大类: 零维:指在空间三维尺度均在纳米尺度,如:纳米颗粒,原子团簇等。 一维:指在空间有两处处于纳米尺度,如:纳米丝,纳米棒,纳米管等。 二维:指在三维空间中有一维处在纳米尺度,如:超薄膜,多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质,所以对零维,一维,二维的基本单元,分别又具有量子点,量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径 答:利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线,这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰,单臂纳米管特有的环呼吸振动模式;1609cm-1,这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比,即d = 224/w d:单壁管的直径,nm;w:为特征拉曼峰的波数cm-1

4、论述碳纳米管的生长机理(图)。 答:碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面(六元环)生长机理。 (1)V-L-S机理:金属和碳原子形成液滴合金,当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理:在碳纳米管顶部,催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分,吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子,碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处,实现碳纳米管的生长,在碳纳米管的生长过程中,催化剂始终在碳纳米管的顶端,随着碳纳米管的生长而迁移; ②根部生长机理:碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络,挤压而形成碳纳米管,底部生长机理最主要的特征是:碳管一末端与催化剂微粒相连,另一端是不含有金属微粒的封闭端; (2)表面(六元环)生长机理:碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管,不形成合金。 ①表面扩散机理:用苯环坐原料来生长碳纳米管,如果苯环进入催化剂内部,会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部,而只是在催化剂表面脱氢生长,也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 (1)气相法反应机理包括:V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理:反应物在高温下蒸发,在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴,小液滴相互聚合形成大液滴,并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴,最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理:首先沉底经过处理,在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘,这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置,并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径,从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法:采用碳纳米管作为模板,在一定温度和气氛下,与氧化物反应,碳纳米管一方面提供碳源,同时消耗自身;另一方面提供了纳米线生长的场所,同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长: (2)溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理:SLS 法和 VLS 法很相似,二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的 液态团簇来源于溶液相,而 VLS 法则来自蒸气相。

对纳米材料的认识

浅谈对纳米材料的认识 “纳米”这个词语我们并不陌生,生活中常见的有“纳米洗衣机”、“纳米羊绒衫”等等。纳米材料几乎无处不在,在这里简单谈谈我对纳米材料的认识。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)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。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展,将从微米层次深人至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要,操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 纳米材料具有许多的特殊性质。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小,使得晶体周期性的边界条件被破坏纳米微粒的表面层附近的原子密度减小;电子的平均自由程很短,而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降,宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同,体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。 纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。 经过几十年对纳米技术的研究探索。现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子.纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪四大领域高速发展。 目前,不少国家纷纷制定相关计划,投入巨资抢占纳米技术的战略高地。每一种新科技的出现,似乎都包涵着无限可能,尤其是纳米机器人具有不可限量的应用前景。用不了多久,个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

(完整版)纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。

纳米材料与纳米结构21个题目+完整答案

1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件? 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边,发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构,并举例说明它们是如何分类的,其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装,并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装,并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性 能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答:最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围,或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数,纳米材料可分为三大类: 零维:指在空间三维尺度均在纳米尺度,如:纳米颗粒,原子团簇等。 一维:指在空间有两处处于纳米尺度,如:纳米丝,纳米棒,纳米管等。 二维:指在三维空间中有一维处在纳米尺度,如:超薄膜,多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质,所以对零维,一维,二维的基本单元,分别又具有量子点,量子线和量子阱之称。

纳米材料论文

纳米材料的特性与应用 摘要:纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征,引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后,世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来,它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。 关键词:纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年,着名物理学家、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,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2.什么是纳米材料 纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,不如,人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1-100nm)或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1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。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象,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。 3.2小尺寸效应

简述纳米材料的发展历程

简述纳米材料的发展历程 纳米材料问世至今已有20多年的历史,大致已经完成了材料创新、性能开发阶段,现在正步人完善工艺和全面应用阶段。 “纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向,日前正待开展中试放大研究。 该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产,正在建设规模化生产线。 联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应 用研发和产业化,该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升,带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 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。

纳米材料答案

1.请阐述“纳米生物材料”、“纳米生物学”的基本概念内涵,作为生物材料有哪些基本要求?纳米生物学:纳米生物学主要包含两个方面:一,利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学问题;二,利用生物大分子制造分子器件,模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米科技的最终目的是制造分子机器,而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子,它们被费曼等人看作是自然界的分子机器。从这个意义上说,纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域。 纳米生物材料:纳米技术、生物技术和材料交叉融合的新型材料,主要指可以进行疾病诊断、治疗、治疗后的随访复查、替换或可对体外生物分子、细胞等进行标记示踪和检测的具有良好生物相容性的纳米材料。可分为可用于生物体内的纳米材料和用于体外的纳米生物材料两种。 生物材料的基本要求: 生物材料主要用在人身上,对其要求十分严格,必须具有四个特性: (1)生物功能性,无毒或毒性极低,不包括癌症在内的其他疾病。因各种生物材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。 (2)生物相容性。可概括为材料和活体之间的相互关系,主要包括血液相容性和组织相容性(无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等)。 (3)化学稳定性。耐生物老化性(特别稳定)或可生物降解性(可控降解)且力学性能好。 (4)可加工、制备。能够成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等)。 2.皮米、纳米、微米等尺度之间的换算。 1微米(um)=1000纳米(nm); 1纳米(nm) =1000 皮米(pm) 1皮米(pm)=1000飞米(fm) 3.纳米颗粒的几个重要纳米效应有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应,请解释这4个效应。 量子尺寸效应:当超细颗粒的尺寸降低到与激子波尔半径相当时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级以及半导体微粒的能隙变宽的现象。 小尺寸效应:当纳米粒子的尺寸与德布罗意波长相当或更长时,对于晶体及其周期性的边界条件将被破坏,对于非晶体粒子及其表面层附件的原子密度减小,导致电、磁、光、声、热力学等一系列性质的变化的效应,称为小尺寸效应。 表面效应:纳米颗粒的比表面积因颗粒减小而显著增大,并导致表面原子数、原子几何构型、原子自旋、原子间相互作用力以及电子波谱等急剧改变,由此产生的一系列物理化学性质变化的效应,即表面效应。 量子隧道效应:隧道效应是指微小粒子(如电子)具有在一定情况下贯穿势垒的能力。而一些宏观量,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,成为宏观的量子隧道效应。 4.纳米颗粒形成的推动力是什么? 是自由能差。 第三讲P2.1

纳米材料的定义(精)

纳米材料的定义、特点和应用前景 中国科学院上海硅酸盐研究所作者:张青红 图1 图2 图3 什么是纳米材料? 纳米(nm)和米、微米等单位一样,是一种长度单位,一纳米等于十的负九次方米,约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小,界面占用相当大的成分。因此,纳米材料具有多种特点,这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次,它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节,是人们过去从未探索过的新领域,实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中,在结构上有序度的变化,在状态上的非平衡性质,使

体系的性质产生很大的差别,对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料的特点? 当粒子的尺寸减小到纳米量级,将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说:被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉,其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理,可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉,这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的,微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的,但通过控制制备条件,可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说,通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积,每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米,这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂,在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料,我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术,我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件,减小器件的体积,使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放,正是借助与微米级的半导体制造技术,才实现了其小型化,并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看,这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等),对纳米陶瓷来说,纳米化可望解决陶瓷的脆性问题,并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 纳米材料的应用前景 纳米材料的应用前景是十分广阔的,如:纳米电子器件,医学和健康,航天、航空和空间探索,环境、资源和能量,生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构,这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒,选择性的吸附或作用在不同的碱基对上,可以“照亮”DNA的结构,有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔,借助与发光的“灯笼”,我们不仅可以识别灯塔的外型,还可识别灯塔的结构。简而言之,这些纳米晶粒,在DNA分子上贴上了标签。目前,我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题,但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来,国内也有一些纳米企业和纳米产品,如“纳米冰箱”,“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”,但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同,“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能,但并不是这类产品的核心技术。因此,这类产品并不能称为真正的“纳米产品”,是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面,属于纳米材料的起步阶段,应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段,可以说这并不是纳米材料的核心,更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。 下面我们选用几副插图来说明纳米材料。 图一:二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料,最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片,这种管是开口、中空管,比表面积能达到400m2/g,可能在吸附剂、光催化剂等方面有应用前景。 图二:晶内型纳米复相陶瓷,颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒,在陶瓷收到外力破坏时,这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子,抑制裂纹扩散,起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。 图三:二氧化钛纳米颗粒的透射电镜照片。可以看出二氧化钛仅为7纳米左右。人们不仅要问:如此小的纳米颗粒肉眼能否看到?商家提供的“纳米粉体”能看得到吗?如此小的晶粒用肉眼是看不到的,可以借助于电子显微镜来看。由于这些晶粒聚集在一起,我们可以看到聚集后的粉体,除了能感觉到“纳米粉体”更膨松外,不借助科学的表征方法,我们难以区别它们。 在材料科学家和其他科学家经过不懈努力后,取得了重大突破,在一些先进国家相继建立了受控聚变实验装置,进行科学实验。更令人兴奋的是,受控核聚变经过近半个世纪的努力,它的科学可行性已由现有的实验结果外推确认,图2为其实验装置Tokamak示意图。而最具说服力的实验是1991年11月JET和1993年12月TFTR的D-T实验,证明受控核聚变已不是可望而不可及的幻想,而是经过努力可望在本世纪中叶付诸应用的有效能源。

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技,我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技,有着我们未所发掘到潜能与实用价值,在这个世代,各种技术的发展迅速,随着纳米技术的进一步发展,可以作为一种催化剂,促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米(一种长度计量单位,等于1/1000,000,000米)尺度附近的物质,其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”,其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域,包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲,包括如下领域: 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程,但纳米技术已经证明,可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体,使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式,如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力,它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说:“当我们进入21世纪时,纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响,至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计,纳米技术在新世纪中的应用前景广阔,已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域,信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看,人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究,则是1959年,这一年,著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为,能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器,而这较小的机器又可制作更小的机器,这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末,美国MIT(麻省理工大学)的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初,德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒,并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来,这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言,尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成,碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子,其强度是钢的100倍,直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达,一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学,因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业,是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理

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