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1、纳米材料及应用全册配套纳米材料及应用全册配套 最完整精品课件最完整精品课件1 教师简介 王世敏，湖北赤壁市人，中共党员，博士、教授、博导 1981年9月至1985年7月于湖北大学化学专业获学士学位；1985年9月至 1988年7月于湖北大学有机化学专业获硕士学位；1995年9月至1999年 1月于华中科技大学微电子学与固体电子学专业获博士学位； 1988年7月至今先后在湖北大学物理系、压电陶瓷技术研究所、化学系、 化学与材料科学学院、材料科学与工程学院工作，1992年晋升为副教 授，1997年晋升为教授；2001年2月至2005年6月任化学与材料科学学 院院长，2005年6月至2008年11月

2、任湖北大学校长助理，2008年12月 至今任湖北大学副校长，2008年12月兼任湖北省化学化工学会副理事 长。 一直从事有机化学和功能材料方面的教学和科学研究工作。现正从事光、 电功能分子材料、纳米材料、精细复合材料的制备与应用研究。 2000年获湖北省自然科学二等奖（第一）； 2001年获湖北省青年科技奖 和“湖北青年五四奖章”；2001年享受国务院特殊津贴； 2003年获湖 北省自然科学二等奖（第四）； 2004年获“全国模范教师”称号； 2006年获湖北省自然科学二等奖（第三）。 Email： QQ:420982516 参考书目： 1、王世敏、许祖勋、傅晶编著，纳米材料制备技术， 化学工

3、业出版社出版，2002 2、李玲、向航编著，功能材料与纳米技术，化学工业 出版社出版，2002 3、刘吉平、郝向阳编著，纳米科学与技术，科学出版 社出版，2002 4、美J.H.芬德勒等著，纳米粒子与纳米结构材料，化 学工业出版社出版，2003 5、黄惠忠等编著，纳米材料分析，化学工业出版社出 版，2003 6、张立德等著，纳米材料与纳米结构，科学出版社， 2001 7、朱静等著，纳米材料和器件，清华大学出版社， 2003 8、国际国内材料科学与工程学术会议论文集 9、国内外最新相关领域文献资料 第一章 纳米科学技术简介 第二章 纳米材料的结构与物理化学特性 第三章 纳米材料的制备方法 第四章

4、 纳米材料的检测分析技术 第五章 纳米材料的应用 课程主要内容 闭卷笔试，没有补考，只有重修； 平时40%，期末考试60%； 平时点名抽查至少5次，3次不在，没有考试资格； 布置一次大作业。 考 试 方 式 第一章 纳米科学技术简介 教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展 历史、进展和趋势。 重点内容： 1、掌握基本概念 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、 莲花效应、自上而下、自下而上 。 2、自然界的纳米技术。 3、纳米科技的分类。 4、纳米科技的前沿动态。 纳米纪事 最早的纳米材料： 中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料 1857年，法拉第制备出金纳米颗粒 1861年，胶

5、体化学的的建立 1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论 上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究 1985年，Kroto和Smalley等人发现C60* 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料 工程 1、纳米科学与技术和纳米材料 1.1 纳米科学与技术（Nano-ST）的定义 纳米科学与技术（Nano-ST）是研究由尺寸在 0.1100nm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。 1纳米(nm)=10-3微米(m)=10-6毫米(mm)= 10-9米(m)=1

6、0埃 *头发直径：50-100m, 1nm相当于头发的5-10万分 之一。 *氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一 个一个排起来的长度。 1.2 纳米科技的分类 (1) 纳米材料学；(2)纳米化学；(3) 纳米体系物理学；(4)纳米生物学；(5) 纳米电子学；(6) 纳米力学；(7) 纳 米加工学 1.3 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。 纳米材料的基本单元按维数可以分为三类： (1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、 纳米尺寸的孔洞等；(2)一维，指在空间有 两维处于纳米尺度，如

7、纳米丝、纳米棒、 纳米管等；(3)二维，指在三维空间中有一 维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶 格等因为这些单元往往具有量子性质， 所以零维、一维和二维基本单元又分别有 量子点、量子线和量子阱之称。 （1）至少有一维处于0.1100nm； （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。 否则，不能称之为纳米材料！ 1.4 纳米材料的分类 按结构大致可分为： 零维(如纳米粒子、量子点*) 一维(如纳米线量子线*、晶须*、纳米管*) 二维(如纳米膜) 三维(如纳米块体) 纳米结构*等 按组成分类 金属纳米

8、材料 无机非金属纳米材料 有机和高分子纳米材料 复合纳米材料 1.5 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 许多植物表面，如荷叶面具有 超疏水(superhydrophobicity)及 自洁(self-cleaning)的特性。 荷叶表面疏水、始终永遠保持一 尘不染。 1.5.1荷花为什么出污泥而不染 荷叶效应 在表面张力作用下，水与 超疏水表面会有一接触角 水珠会夹带灰尘颗粒离开叶面 为什么会有这种“荷叶效应”？ l用传统的化学分子极性

9、理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。 l从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。 n经过兩位德国科学家的长期观察研究，即在1990 年代初终于揭开了荷叶叶面的奧妙。 原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米和 微米级的超微结构。 德国生物学家Barthlott 和Neinhuis通过观 察植物叶表面的微观结构, 认为由粗糙表 面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存 在共同引起的 认为在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳 米结构, 这种微米结构与纳米结构相结合 的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因

10、 Prof. Dr. Wilhelm Barthlott 荷叶叶片上的 多种纳米和微米級的超微结构 在超高解析度电子显微镜下 可以清晰看到： 在荷叶叶面上布满着一個挨 一個隆起的“小山包” 在山包上面長滿絨毛 在“山包”頂則又長出 一個個饅頭狀的 “碉堡”凸頂。 荷叶叶片上的 多种纳米和微米级的超微结构 因此，在“乳突”间的凹陷部份充滿著空氣，这样就在紧 贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。 这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在 叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突” 的凸頂形成几个点接触。 雨点在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滚动中吸 附灰尘，並滾出叶

11、面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的 奧妙所在。 蜡质结晶细微结构荷叶效应 再加上叶片表面的细微 结构之助， 使水与叶面的面积更小 而接觸角变大， 因此加強了疏水性， 同時也降低污染顆粒 对叶面的附着力。 这种表面自清洁的特性不仅 存在于荷叶叶面上，在动物皮肤 或许多其他植物叶子中也都得到 验证，而开发仿造荷叶具自清洁 功能的疏水涂料、涂装技术乃成 为风潮。 表面粗糙结构 表面細微的奈米結構 在自潔功能上扮演著關鍵的角色 以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的 面積大約只佔總面積的23%， 若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾 動方式運動。 滾動時，會順便吸附起葉面上的 污泥顆粒，一同滾出葉面 達到清潔的效果。

12、表面細微的奈米結構 在自潔功能上扮演著關鍵的角色 相形之下，在同樣具有疏 水性的光滑表面 水珠只會以滑動的方式移 動 並不會夾帶灰塵離開 因此不具有自潔的能力。 荷叶自淨作用的特性 在荷叶上倒几滴胶水， 胶水不會粘连在叶面 上，而是滾落下去并 且不留痕迹。 160 180 荷叶效应的应用 功能性塗裝材料 ex:油漆 包括防水底片、防水噴霧劑；外衣、鞋子、車子的外殼、 反光鏡、安全帽鏡片、廚具、瓦斯爐等容易髒污的器具表面， 甚至飛機的表面 荷叶效应的应用 1.5.2 你听说过观音土吗？ 一种硅藻土的颗粒构造 右：局部放大照片 1.5.3 用徽墨写出的毛笔字为什么光泽好？ 徽墨精烟墨 王羲之丧乱贴

13、 1.5.4 壁虎飞檐走壁的奥秘 世上有会飞的壁虎，你知道吗？ 壁虎及其脚趾的英姿壁虎及其脚趾的英姿 微观结构产生高黏附力 壁虎脚部刚毛组织及单根刚毛与物体表面的黏附 a）壁虎脚的电子显微镜放大照片； （b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c） 一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的 瓶装可乐饮料；（d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面 上悬挂一个金属钢圈。 1.6 未来的制造工艺 新的工业革命的到来 从原子、分子出发来构建特殊的结构，制 造具有所需功能的分子装置，从而产生生 产方式的革命 仿制生物体系的纳米结构，利用生物系统

14、 的自识别、自组织、自复制的功能制造特 定的纳米产品 新的梦想实现已指日可待！ 第一次工业革命 毫米时代 发生在18世纪中叶，以Fe基材 料为基础，蒸汽机的发明与应 用，使机器生产逐步取代手工 劳动，极大提高了生产力，使 人类跨入了机械化工业时代， 它的加工精度标志尺度是毫米， 可以称作毫米技术应用时代。 第二次工业革命以Fe、Cu、Al等金属基材 料为基础,电动机的发明与应用，使社会进 入电气化时代，它的加工精度标志尺度仍 是毫米。 第二次工业革命 毫米时代 第三次工业革命 微米时代 20世纪，第三次工业革命以Si基 材料为基础，以电子技术为代表， 特大规模集成电路和计算机的发 明与应用，使

15、社会进入信息时代， 它的标志是微米技术的应用，使 人类进入以计算机和网络通讯为 代表的新时代，不仅缩短了人类 之间的空间距离，而且部分地解 放了人类的脑力劳动，促进了生 产力的飞速发展。 第四次工业革命 即将到来的纳米时代 21世纪，预计以纳米材料和分子 材料为基础，将给人类带来第四 次工业革命，使人类的生产和科 技活动从微米层次深入到纳米和 分子层次，它将为人类创造出许 多新材料、新产品；将彻底改变 人们千百年来形成的生活习惯和 生产模式；将对传统产业带来极 大的变革。纳米器件与机器、分 子器件与机器将引领人类社会的 发展。 人类探索世界的不同层次 宏观宏观：大尺度，发明了望远镜，探索宇宙起

16、源与进化。：大尺度，发明了望远镜，探索宇宙起源与进化。 微观微观：小尺度，发明了显微镜、粒子加速器，探索物质：小尺度，发明了显微镜、粒子加速器，探索物质 结构。结构。 介观介观：原子分子层次，才是和人类自身关系最密切的。：原子分子层次，才是和人类自身关系最密切的。 1.7 改造自然界的全新理念 1 1、纳米的两个含义：、纳米的两个含义： 含义一：空间尺度的单位 含义二：思考问题的方式 2、纳米科技的主要研究内容: 创造和制备性能优异的纳米材料、制 备各种纳米器件和装置、探测和分 析纳米区域的性质和现象。 （基础，目标，前提） 纳米技术与微电子技术的主要区别是： 纳米技术研究的是以控制单个原子、

17、分子来实现 设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作 的； 而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其 功能，是利用电子的粒子性来工作的。 人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对 整个微观世界的有效控制。 制造纳米产品的技术路线可分为两种制造纳米产品的技术路线可分为两种： “自上而下自上而下” (top down) ：是指通过微加工或 固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产 品微型化。(从大到小) 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。 “自下而上自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子为 基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从 而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线

18、 将减少对原材料的需求, 降低环境污染。(从小 到大） 如：化学合成、自组装、定位组装等。 Top-down manufacturing Traditional approach Take away material until what is left is the product Eg. Sculpting Bottom-up manufacturing Nanotech approach Add material until the product has been created Eg. Biological systems 3、 纳米科技的发展历史 1959年，美国著名的物理学家，

19、诺贝尔奖获得者费曼：“如果有 朝一日人们能把百科全书存储在 一个针尖大小的空间内并能够移 动原子，那么这将给科学带来什 么！” 对纳米科技的预言：人 们常说的小尺寸大世界。 “纳米和纳米以下的 结构是下一阶段科技 发展的一个重点，会 是一次技术革命，从 而将是2l世纪的又一 次产业革命。” -钱学森钱学森 1998年IBM公司用 原子排成的世界上 最小的广告- IBM 1982年,一种奇特的显微镜(扫描隧 道显微镜)(STM)发明后,便诞生了 一门以0.1至100纳米尺度空间为研 究对象的前沿学科,也就是研究电 子、原子和分子运动规律、特性的 高新学科,它就是纳米科技。 Xe on Ni 在X

20、e原子搬迁后，又实现了 分子的搬迁排列。在铂单 晶的表面上、将吸附的一 氧化碳分子(CO)用STM搬 迁排列起来、构成一个身 高仅5nm的世界上最小的 人的图样。 用来构成这图 样的CO分子间距离仅为 0.5nm, 人们称它为 一氧化碳小人 这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量 子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有非常 重要和广泛的应用。 光刻技术 线宽目前到了45纳米，集成度的进一步提高有 赖于纳米技术 1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技 术会议； 1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。 首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开； 199

21、4年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术 会议； 1996年在美国夏威夷召开第三届国际会议； 1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议； 2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。 纳米技术是一门崭新的交叉 学科,学科领域涵盖纳米物理 学、纳米电子学、纳米化学、 纳米材料学、纳米机械学、 纳米生物学、纳米医学、纳 米显微学、纳米计量学和纳 米制造等,有着十分宽广的学 科领域。二十一世纪,纳米技 术将广泛应用于信息、医学 和新材料领域。 纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段 (1990年以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉 体，合成块体(

22、包括薄膜)，研究评估表征的方法。 第二阶段 (1994年前) 人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳 米复合材料： 纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， 纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， 复合纳米薄膜(0-2复合)。 第三阶段 (从1994年到现在)纳米组装研究。 它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一 维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 4、国际纳米技术发展的态势 美国启动纳米技术促进计划美国启动纳米技术促进计划 克林顿克林顿说：说：“ 我正在支持一项我正在支持一项 对美国未来经济对美国未来经济 和发展将产生深和发展将产生深 远影响的纳

23、米技远影响的纳米技 术，它是术，它是2121世纪世纪 最重要、应该优最重要、应该优 先发展的计划先发展的计划 ”。 科学技术主席助理科学技术主席助理 （19841984年年4 4月）月） Neal LaneNeal Lane说：说：“ 如果人们问我哪个如果人们问我哪个 科学和工程领域最科学和工程领域最 有可能在未来产生有可能在未来产生 突破性成就，我认突破性成就，我认 为会是纳米科学和为会是纳米科学和 工程工程。” 威廉姆斯说：威廉姆斯说： “纳米技术纳米技术 对经济社会的影对经济社会的影 响将超过计算机响将超过计算机 ” 美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批

24、准 联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进 纳米技术的研究开发。 2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会 能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料 本世纪前10年几个关键领域之一 制定了“国家纳米技术倡议”(NNI): 纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学 日本和德国出台了相应的研究计划 日本政府和国会 作出决定：要向 抓微电子那样抓 纳米技术， 把发展纳米技术 作为21世纪前20 年立国之本。 德国：纳米技术 是21世纪高科技 的制高点。 2000年布署了跨 部门的六大中心 ,发展纳米技术 。 1962年, 久保

25、(Kubo): 久保理论 日本著名大企业: 纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气 其他 国家 的纳 米科 技发 展概 况 印度：要向抓软件产业那样 ，快速发展纳米技术。 韩国和瑞典：2001年 对纳米科技投入增长最 快的国家。 张立德 把纳米概念引入中国的第一人 “纳米材料和纳米结构”首席科学家 纳米材料和纳米结构 纳米复合材料 超微粉体材料制备和应用 材料新星 纳米材料 第四次浪潮纳米冲击波 奇妙的纳米世界 纳米材料和纳米结构最新进展 中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面 通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图 1

26、993年，中科院操纵原子写字 Iron atom on Copper 成为中国第一位纳米院士 1998年，中国科技大学钱逸泰院士的研究组用 催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉， 被国际刊物誉为“稻草变黄金”。 Transmission electron microscopy image of sample (scale bar, 1 mm), (B) electron diffraction pattern, and (C) SEM image (scale bar, 60 mm). 中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了 当时最长的纤维级碳纳米管 解思深 1992年在国内率先开展

27、了碳纳米 管的研究，在定向碳纳米管的制 备、结构和物理性质的研究方面 取得了一系列的重要进展。 2003年当选中国科学院院士 1996年，中国科技大学:氮化镓粉体 谢毅，博士，中国科学技术大学化学 系、合肥微尺度物质科学国家实验室 教授、博士生导师。 教育部长江特聘教授。 主要研究方向为无机纳米功能材料的 可控合成、结构、性能及理论研究。 曾获国家杰出青年基金，中国青年科 学家奖等。 现为科大“无机合成与纳米化学”创 新研究群体带头人，主持国家自然科 学基金委创新研究群体基金。 “刻意做事情往往达不到 预想的目标，我不喜欢 刻意而为，今天的自己 是随波逐流的结 果。” 李亚栋，清华学化学系长江

28、学者特聘教授。 主要研究方向： 纳米材料的合成、组装、结构、性能 及其应用探索 主要研究兴趣： (1) 太阳能电池纳米复合材料及器件 (2) 高效多功能超细荧光粉 (3) 新型高比表面催化材料及其应用 (4) 纳米材料在生命科学中的应用 (5) 纳米材料在新能源领域的应用探 (6) 功能纳米材料的规模制备 氮化镓纳米棒的制备 清华大学范守善教授等首次利用碳纳米管制备出 直径3-40纳米、长度达微米量级的半导体氮化 镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概 念。该项成果成为1997年 Science 杂志评选 出的十大科学突破之一 。 与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首 次实现硅衬底上碳

29、纳米管阵列的自组织生长。 (A) TEM image of the carbon nanotubes used as starting material. (B) TEM image of the GaN nanorods that were produced 2000年，中科院沈阳金属所的卢柯研究员等发现纳米铜 材料具有超延展性，在室温下可连续轧制，不经中间 退火，塑性变形达5000。2006年担任美国科学 （Science）周刊评审编辑. Superplastic Extensibility of Nanocrystalline Copper at Room Temperature 电沉积

30、技术 江 雷 研究员 当前主要研究领域： 功能界面材料，2004年，Nature Water-repellent legs of water striders 总之 中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳 米结构的控制合成方面，走在比较前沿 的位置，继美、日、德之后，位居世界 第四。 但是，在纳米器件上总体来说研究层次还 不是很高，手段离国外还有很大的差距。 作业： 查阅文献资料，看一看纳米材料和纳米技术有哪 些产业化应用？想一想未来可以应用在哪些方面？ n教学目的教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及 碳纳米管 n重点内容重点内容： n纳米材料的分类 n纳米材料与传统材料的主要差别 n物理特性

31、：热学性能，磁学性能，光学性能， 电学性能，表面活性及敏感特性，光催化性 能，力学性能 n富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 n难点内容难点内容：物理特性 第二章 纳米微粒的物理化学特性 根据维数，纳米材料可分为根据维数，纳米材料可分为 、 。 空间三维尺度都在纳米空间三维尺度都在纳米 尺度（尺度（1 1100nm100nm）范围内，）范围内， 即纳米颗粒。即纳米颗粒。 原子团簇原子团簇纳米微粒纳米微粒C C60 60富勒烯 富勒烯 空间三维尺度中有空间三维尺度中有两维两维在在 纳米尺度（纳米尺度（1 1100 nm100 nm）范围）范围 内，包括纳米棒、纳米管、内，包括纳米棒、纳米管、 纳

32、米线和原子线等。纳米线和原子线等。 碳纳米管碳纳米管 纳米棒纳米棒 SiSi纳米线纳米线 碳原子线碳原子线 一维纳米材料一维纳米材料 -纳米棒、纳米带和纳米线纳米棒、纳米带和纳米线 n一维纳米材料一维纳米材料是指在两维方向上为纳米 尺度，长度比上述两维方向上的尺度大 很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。 n纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带同轴 纳米电缆 n纳米棒纳米棒：纵横比(长度与直径的比率)小，截面 为圆形圆形。一般小于20。 n纳米线纳米线：纵横比大，截面为圆形圆形。 n纳米带纳米带其截面为长方形长方形。 n半导体和金属纳米线通常称为量子线。 n同轴纳米电缆同轴纳米电缆：芯部芯部为半导体或导

33、体的纳米线， 外包外包异质纳米壳体（半导体或导体），外部的 壳体和芯部线是同轴的。 纳米多孔薄膜纳米多孔薄膜生物双分子膜生物双分子膜超晶格超晶格 nMCM-41; SBA-16; nNanoporous silicon; nActivated carbons MCM-41 6, 9, 20, 26 nm SBA-16 根据化学成分，纳米材料可分为根据化学成分，纳米材料可分为 、和和 。 2.1.2 纳米晶粒纳米晶粒纳米陶瓷纳米陶瓷 纳米纳米AlAl颗粒颗粒高分子高分子 2.1.2 根据物性，纳米材料可分为根据物性，纳米材料可分为 、 。 纳米磁性材料纳米磁性材料 纳米非线性材料纳米非线性材料

34、磁畴磁畴 反射反射 率很率很 小小 2.1.2 根据应用，纳米材料可分为根据应用，纳米材料可分为 、 。 纳米电子材料举例纳米电子材料举例 不导电不导电光照光照导电导电 功能化功能化 的医用的医用 纳米碳纳米碳 管管 加拿大多伦多一家公司设计研制了一种针对艾滋病的新药，制成了以加拿大多伦多一家公司设计研制了一种针对艾滋病的新药，制成了以C60为为 核心的靶向药物，这种药物在动物实验上获得成功。核心的靶向药物，这种药物在动物实验上获得成功。 Biomolecular Recognition by Nano-fingers Science 288, 5464 (2000) 能储氢的纳米碳管（能储氢

35、的纳米碳管（储氢率储氢率1010，按重量），按重量） 纳米材料与传统材料的主要差别纳米材料与传统材料的主要差别： n第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数 量级上。 n比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度 在纳米尺度范围内。尺寸尺寸 n第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 n比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能性能 2.2 纳米微粒的物理特性纳米微粒的物理特性 n 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， n小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏小尺寸效应

36、，表面效应、量子尺寸效应及宏 观量子隧道效应观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、热、磁、 光敏感特性和表面稳定性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。 n2.2.1 热学性能热学性能 n纳米材料纳米材料是指是指晶粒尺寸在晶粒尺寸在纳米数量级纳米数量级的多晶体的多晶体 材料，具有很高比例的内界面材料，具有很高比例的内界面(包括晶界、相包括晶界、相 界、畴界等界、畴界等)。 n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。 n纳米材料的这些热学性质与

37、其晶粒尺寸热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。 n纳米微粒的粒径与熔点的关系纳米微粒的粒径与熔点的关系 n对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液 态间的转变温度。 n当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而 代之的是液相中不规则的原子排列。 n1954年，M. Takagi首次发现纳米粒子的熔点低 于其相应块体材料的熔点。 n从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶 都具有这种效应。 n(1)熔点和开始烧结温度熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多比常规粉体的低得多。 n大块铅的熔点327 ，20 nm 纳米Pb 39 . n纳米铜(40 nm)的熔点，由1053(体相)变为 750。 n块状金熔

38、点 1064 ，10 nm时1037 ；2 nm 时，327 ； n银块熔点，960 ；纳米银(2-3 nm)，低于100 。 n用于低温焊接(焊接塑料部件)。 手握金汤“真金为何也怕火炼真金为何也怕火炼” nWronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如 图所示。 n图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下 降。当粒径小于降。当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降时，熔点急剧下降。其中其中 3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点 的一半的一半。 熔点下降的原因熔点下降的原因： n由于颗粒小，纳米微粒的表面能高表面

39、能高、表面表面 原子数多原子数多，这些表面原子近邻配位不全近邻配位不全， 活性大活性大(为原子运动提供动力为原子运动提供动力)，纳米粒子 熔化时所需增加的内能内能小小，这就使得纳米纳米 微粒熔点急剧下降微粒熔点急剧下降。 n超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具 有一定吸引力。有一定吸引力。 如，金属的纳米颗粒在如，金属的纳米颗粒在 空气中会燃烧，无机的空气中会燃烧，无机的 纳米颗粒暴露在空气中纳米颗粒暴露在空气中 会吸附气体并与气体进会吸附气体并与气体进 行反应都是因为这些纳行反应都是因为这些纳 米颗粒的表面活性高的米颗粒的表面活性高的 原因。原因。 金属纳

40、米颗粒在空气中自燃金属纳米颗粒在空气中自燃 粒子尺寸减小，粒子表面活性增高粒子尺寸减小，粒子表面活性增高 n2.2.2 光学性能 n(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。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。银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 n光与物质相互作用，除吸收 外，还有散射作用，微粒对 光波的散射与波长的四次方 成反比，

41、因此天空成蓝色。 金属金属超微颗粒超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于对光的反射率很低，通常可低于l l，大约几微米的厚度就能，大约几微米的厚度就能完全消完全消 光光。利用这个特性可以高效率地将。利用这个特性可以高效率地将太阳能太阳能转变为热能、电能。还可能应用于转变为热能、电能。还可能应用于红外红外 敏感元件敏感元件、红外隐身技术红外隐身技术等。等。 F-117A战斗机和B-2轰炸机 纳米隐身飞机纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效可以有效吸收雷达波吸收雷达波,这就这就 是隐身飞机。是隐身飞机。 谁惹祸了？谁惹祸了？ n(2)蓝移和红移现象蓝移

42、和红移现象 nA 蓝移蓝移 n与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移蓝移”现象现象，即吸收带移向短波长方向即吸收带移向短波长方向。 n例如：例如： n纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率 分别是814 cm-1和794 cm-1。蓝移了蓝移了20 cm-1。 n纳米Si3N4颗粒和大块固体的峰值红外吸收频 率分别是949 cm-1和935 cm-1，蓝移了蓝移了14 cm-1。 n由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。 CdS溶胶颗粒在不同尺寸下的紫外吸收光溶胶颗粒在不同尺寸下的紫外吸收光 谱谱 n纳米微粒吸收带纳米

43、微粒吸收带“蓝移蓝移”的解释：的解释： n一、量子尺寸效应一、量子尺寸效应 n由于颗粒尺寸下降能隙变宽颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光 吸收带移向短波方向。 nBall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 子轨道能级之间子轨道能级之间的宽度宽度 (能隙能隙)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。 nB 红移红移 n在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带 相对粗晶材料呈现呈现“红移红移”现象现象。即吸收带移吸收带移 向长波长向长波长。 n例如，在2001400nm波长范围，单晶

44、NiO呈现 八个光吸收带。蜂位分别为3.52，3.252.95， 2.75，2.15，1.95，1.75和1.13 eV， n纳米NiO(粒径在5484nm范围)不出现3.52eV的 吸收带，其他7个带的蜂位分别为3.30，2.99， 2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV， n很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发 生蓝移，后3个光吸收带发生红移。 n吸收光谱的红移现象的原因 n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。 n(4) 纳米微粒的发光纳米微粒的发光 n光致发光光致发光是指在一定波长光照射下被

45、激发到高高 能级激发态能级激发态的电子重新跃回到低能级低能级被空穴俘 获而发射出光子的现象。 n电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 n通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射 跃迁过程发射声子，此时不发光。 n而只有当能级间距较大时，才有可能实现辐射 跃迁，发射光子。 能级跃迁能级跃迁 波列波列 波列长波列长 L = c 自发辐射自发辐射 E E2 2 E E1 1 h/EE 12 n当纳米微粒的尺寸小到当纳米微粒的尺寸小到 一定值时可在一定波长一定值时可在一定波长 的光激发下发光。的光激发下发光。 n1990年。日本佳能研究 中心的Tabagi等发现，粒 径小于6nm的硅在室温下 可以发

46、射可见光。 n图所示的为室温下，紫 外光激发引起的纳米硅 的发光谱。 蓝移蓝移 n可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移随粒径减小，发射带强度增强并移 向短波方向向短波方向。当粒径大于6nm时，这种光发射 现象消失。 nTabagi认为认为，硅纳米微粒的发光是载流子的量载流子的量 子限域效应子限域效应引起的。 nBrus认为认为，大块硅不发光是它的结构存在平移 对称性，由平移对称性产生的选择定则平移对称性产生的选择定则使得大 尺寸硅不可能发光，当硅粒径小到某一程度时 (6nm)，平移对称性消失，因此出现发光现象。 n掺入CdSexS1-x纳米颗 粒的玻璃在530nm光 激发下，当颗粒尺寸 小

47、至5nm时，会出现 激子发射峰激子发射峰。 n550nm吸收和发射 n掺杂能级 分散在乙二醇里的CdS纳米粒子 的发射光谱，激发波长为310 nm 固相CdS纳米粒子的发射光 谱，激发波长为345 nm A,B,C,D粒径减小，发生蓝移粒径减小，发生蓝移 3 . 特殊的特殊的磁学磁学性质性质 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。航下能辨别方向，具有回归的本领。 当颗粒尺寸减小到当颗粒尺寸减

48、小到 2*10-2微米以下时，其微米以下时，其矫顽力可增加矫顽力可增加1千千 倍倍，若进一步减小其尺寸，大约小于，若进一步减小其尺寸，大约小于 6*10-3微米时，其矫顽微米时，其矫顽 力反而降低到零力反而降低到零，呈现出，呈现出超顺磁性超顺磁性。 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 密度的密度的磁记录磁粉磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用 超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体磁性液体。 “横行霸道横行霸道” 为什么螃蟹要横着走为什么

49、螃蟹要横着走? 地磁场说 4 . 特殊的特殊的力学力学性质性质 由于纳米材料粒度非常微小由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的具有良好的表面效应表面效应,1克纳米材料的表面积达到几克纳米材料的表面积达到几 百平方米。因此百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性强度、柔韧度、延展性都十分优越，就都十分优越，就 象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。级台风有也吹不掉它。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒

50、压陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压 制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性良好的韧性。 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料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于倍。至于金属金属-陶瓷陶瓷 等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。 “刚柔并济刚柔并济” 纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料能够弯曲能够弯曲180180度就