1、20112011 纳米材料复习范围及要点纳米材料复习范围及要点1、纳米科技指在纳米尺度（1-100nm）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。2、研究内容是创造和制备优异性能的纳米材料；设计、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。3、最终目的：以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品，其技术路线可分为“自上而下”（Top Down） ，“自下而上”（Bottom Up）两种方式。4、纳米材料：广义地，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或由它们作为基本单元构成的材料。5、纳米材料是
2、纳米科技的主要基础，它和纳米电子学、纳米生物学、纳米检测与表征等组成纳米科技最基本的内容，显示出丰富的层次与学科交叉特征。6、纳米材料研究的主要内容，包括纳米材料制备中的科学技术问题，纳米材料结构表征与评估方法，纳米材料物理化学性质的测试方法，特别是纳米微区分析技术，纳米材料物理化学性质的特殊变化规律和产生机理，纳米材料的应用与使用过程中的老化失效问题等。7、纳米结构以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子(artificial superatoms)、纳米管、纳米棒、纳米丝、纳米带以及纳米尺寸的
3、孔洞。8、人工纳米结构组装体系: 按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。这里，人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像人们用自己制造的部件装配成非生命的实体。9、纳米结构的自组装体系: 指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、 离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。10、 纳米微粒的尺寸远远小于飞机本身发出的红外线波长和雷达发来的电磁波波长， 可以大大增加对这些波的透过率和减少对这些波的反射率， 使得红外探测器和雷达接受到的反射
4、信号变得微弱，从而达到隐身的作用； 纳米微粒的比表面积大，对电磁波有很强的吸收能力，这些又使得红外探测器和雷达接受到得反射信号强度又大打折扣。11、纳米微粒尺寸小，比表面积大。由于表面原子的周围缺少相邻的原子，使得颗粒出现大量剩余的悬空键而具有不饱和的性质，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。 随着微粒的粒径减小，微粒表面的光滑程度也会相应变差，由此形成更多的凹凸不平的原子台阶，可以增加化学反应的接触面，这是提高催化作用的必要条件。 纳米半导体微粒因量子尺寸效应使得能隙变宽,拓宽了对光的吸收带 （不局限于紫外光） ， 这是提高催化作用的充分条件。12、原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体(粒径
5、小于或等于 1nm)，其性质既不同于单个原子和分子，又不同于固体和液体，而是介于气态和固态之间物质结构的新形态，常被称为“物质第五态”。 当前能大量制备并分离的原子团簇是 C60 及富勒烯。13、人造原子(artificial atoms)有时称为量子点，是 20 世纪 90 年代提出来的一个新概念。所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于 l00nm。14、人造原子和真正原子相似之处 ： 人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子在人造原子中也是以轨道的方式运动 ； 电子填充的规律也与真正原子相似， 服从洪德法则。15、人造原子与真正原子差别 ：人造原子含有一定数量的
6、真正原子，人造原子的形状和对称性是多种多样。 真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述， 而人造原子不局限于这些简单的形状， 除了高对称性的量子点外， 尺寸小于 100nm 的低对称性复杂形状的微小体系都可以称为人造原子；人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多。16、随着人造原子中原子数目的增加，电子轨道间距减小，强的库仑排斥和系统的限域效应和泡利不相容原理使电子自旋朝同样方向进行有序排列； 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势，由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的束缚使它们具有自由电子的特征 。17、一维纳米结构单
7、元主要包括：纳米管、纳米棒、纳米丝、纳米线、纳米同轴电缆、纳米带。18、理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层， 含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管， 多于一层的则称为多壁纳米碳管。19、SWNT 的直径一般为 16 nm，最小直径大约为 0.5 nm，但 SWNT 的直径大于 6nm 以后特别不稳定，会发生 SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。MWNT 的层间距约为0.34 纳米，直径在零点几纳米到几十纳米，长度一般为纳米至微米级，最长者可达数毫米。20、 世界最长的碳纳米管： 中国科学院物理研究所解思深在成功地发明了
8、碳纳米管定向生长新方法的基础上，于 1998 年又成功地制备出长度达 3 毫米的超长碳纳米管阵列，其长度比现有碳纳米管的长度大 1-2 个数量级，创造了一项“3mm 的世界之最”，受到了国内外的普遍关注。 用这种新方法制备的超长定向生长的碳纳米管列阵， 除少量碳管轻微弯曲或缠绕外，大多数碳管都由基底垂直向上生长，并形成高密度和离散分布的定向碳纳米管列阵。21、世界最细的碳纳米管：日本电气公司的科学家最近在英国自然杂志上报告说，他们将石墨棒置于充满氢气的气室内，用高压电弧放电，制成了共有 18 层管壁的多层碳纳米管，其中最内层的碳纳米管直径仅 0.4 纳米。 香港科技大学的科学家在同一期杂志上报
9、告说，他们采取另一种制造工艺，在具有多孔结构的沸石中用高温分解，也得到了直径 0.4纳米的单层碳纳米管。 沸石是一种有着大量微细孔道的矿物， 这些直径 0.4 纳米左右的孔道可以作为制造碳纳米管的“模具”控制碳纳米管的尺寸。 据称，这可能是迄今世界上造出的最小的稳定碳纳米管，也是理论上可能最小的碳纳米管。如果尺寸再小，就会因碳原子之间的结合角度太小而造成结构不稳固，不具备实用价值。事实上，不久前曾有科学家制造出直径 0.33 纳米的碳纳米管，但很快就解体了。22、纳米碳管的形成过程是游离态的碳原子或者碳原子团，发生重新排布的过程。 纳米碳管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长
10、温度等反应条件。23、碳纳米管兼具金属和半导体两种材料的特性，使它在应用方面显示了诱人的前景。24、 碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环(石墨片)组成， 但在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有一些五边形和十边形的碳环结构。 构成这些不同碳环结构的碳碳共价键是自然界中最稳定的化学键， 所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能， 其强度接近于碳碳键的强度。25、理论计算和实验研究表明，单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其强度是钢的 100 倍，而密度却只有钢的六分之一，是一种新型的“超级纤维”材料。26、碳纳米管同时还具有较好的柔性，其延伸率可达百分之几。不仅如此，碳纳米管还有
11、良好的可弯曲性，不但可以被弯曲成很小的角度，也可以被弯曲成极其微小的环状结构，当弯曲应力去除后，碳纳米管可以从很大的弯曲变形中完全恢复到原来的状态。除此之外，即使受到了很大的外加应力，碳纳米管也不会发生脆性断裂。27、 碳纳米管内流动的电子受到量子限域所致， 电子在碳纳米管中通常只能在同一层石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，沿径向的运动将受到很大限制。 不同类型的碳纳米管，导电性能也不相同。例如，单臂纳米管总是金属性的；锯齿形纳米管和手性形纳米管则部分为半导体性，部分为金属性的。随着半导体性碳纳米管的直径的增加，带隙变窄，在大直径情况下，带隙为零，呈现金属的性质。28、 碳纳米管十分特殊的电学性
12、能， 使其在未来的纳米电子学中将得到广泛的应用， 例如，金属性碳纳米管可以用作纳米集成电路中的连接线， 而半导体性碳纳米管则可以用来制作纳米电子开关和其他纳米量子器件。29、在碳纳米管中，如果在连接部位或结构中由于管体缺陷而出现五七碳环对时，在多数情况下都会形成结的电子特性。 可以想像， 未来的纳米尺度的电子器件将有可能利用碳纳米管的这种结的电子特性来进行设计，并在纳米电子器件中得到广泛应用30、同轴纳米电缆是指芯部为半导体或导体的纳米丝，外包敷异质纳米壳体(导体或非导体)，外部的壳体和芯部丝是共轴的。31、 同轴纳米电缆除可用于高密度集成元件的连接外， 还可作为微型工具和微型机器人的部件；其
13、硬度和金刚石差不多，可制成钻头，是制造纳米器件的极佳工具。肉眼看不见的纳米电缆将改变我们未来生活的许多方面。 科学家还观察到， 纳米同轴电缆中电子的传输不同于普通的导体，其传输速度快，能耗更小。它的诞生还可能为下一代光导纤维的产生奠定基础。32、2001 年，王中林等三位留美中国科学家利用高温固体气相法成功合成了 ZnO、SnO2，In2O3，CdO 和 Ga2O3 等宽带半导体体系的带状结构，带宽为 30300nm，厚 510nm，而长度可达几毫米。33、纳米管比钢硬，有惊人的导电能力，这些特点使它一度成为纳米科学研究的宠儿。但它在批量生产时发现了缺陷，即稳定性差。材料有缺陷的电子元件在通过
14、电流时，温度可能会异常升高。当今电子设备越变越小，功能越来越强大，这就要求电子元件能够以非常高的密度放入微小的设备中，如果电子元件过热，将会导致整个设备失控。34、半导体氧化物纳米带不存在碳纳米管的稳定性问题。这些带状结构材料纯度可高达95以上，而且产量大、结构完美、表面干净，并且内部无缺陷、无错位。相比之下，碳纳米管的纯度仅能达到 70左右。纳米带的优点使它更早地被投入工业生产中。35、 纳米带是迄今发现具有结构可控且无缺陷的惟一宽带半导体准一维结构。 这种结构是用于研究一维功能和智能材料中光、电、热输运过程的理想体系，可以使科学家用单根氧化物纳米带做成纳米尺寸的气相、 液相传感器和敏感器或
15、纳米功能及智能光电元件， 为纳米光电学打下了坚实的基础。36、纳米微粒的制备方法可从不同的角度进行分类。按反应物状态可分为干法和湿法；按反应类型可分为物理法和化学法；按反应介质可分为固相法、液相法、气相法。37、纳米微粒表面修饰目的：改善或改变纳米粒子的分散性；提高微粒表面活性；使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；改善纳米粒子与其它物质之间的相容性。38、 纳米微粒物理修饰是通过范德瓦耳斯力等将异质材料吸附在纳米微粒的表面， 从而防止纳米微粒团聚；纳米微粒表面化学修饰是通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态，达到表面改性的目的。39、纳米微粒的熔点、
16、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时， 磁化方向就不再固定在一个易磁化方向， 易磁化方向作无规律的变化， 结果导致超顺磁性的出现。 不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。40、 与大块材料相比， 纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波方向。由不同粒径的 CdS 纳米微粒的吸收光谱看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。41、对于多孔固体，当总的孔体积达到一定值后，若孔尺寸足够小，也会表现出孔的尺寸效应和表面效应，从而产生一系列异于体相的性质，这种材料即所谓的介孔固体。 1991 年在葡萄牙首都里斯本召开的
17、国际会议，把多孔固体划分四个部分：一是微孔固体(孔径尺寸小于 2nm)；二是介孔固体(孔径为 250nm)；三是大孔固体(孔径小于 lm)；四是宏孔固体(孔径大于 lm)。其中介孔固体属于纳米材料领域的范畴。42、 假如将纳米团簇和介孔固体两者结合起来， 利用物理或化学的方法把具有不同功能特性的纳米颗粒(或团簇)放入介孔固体的孔(道)中，构成纳米颗粒介孔固体的人工组装体系，即介孔复合体，可望合成一系列新型材料。这是全新的研究对象，可以预期它会兼有纳米颗粒和介孔固体二者的某些优异特性，又有二者所不具备的性质。根据载体不同，介孔复合体也可分为有序和无序介孔复合体。43、复合材料的结构是以一个相为连
18、续相，称为基体，而另一相是以一定的形态分布于连续相中的分散相，称为增强体。如果增强体是纳米结构单元，如纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等，就称为纳米复合材料。44、 纳米复合材料按基体形状分类 0-0 复合： 即不同成分不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米复合材料。0-2 复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中。 0-3 复合：即把纳米粒子分散到常规的三维的固体材料中。45、纳米复合材料的力学性能主要具有如下的特点：高强度、高韧性；高比强度、高比模量；抗蠕变、抗疲劳性好；高温性能好；断裂安全性高等。纳米复合材料的强度和韧性比单组分纳米材料提高 25 倍，因此具有广泛的应用前景。46
19、、 有机无机纳米杂化材料是指有机和无机材料在纳米级上的复合， 包括在有机基质上分散无机纳米微粒和在无机材料（常为纳米材料）中添加纳米级的有机物。文献中报道的有机无机纳米杂化材料大都指前者，其中有机物多为高聚物。47、有机无机纳米杂化材料既可以作为结构材料，又可作为功能材料，是纳米科技领域内一项很有基础研究及应用研究价值的重要课题。 这种材料并不是无机相与有机相的简单加合，而是由无机相和有机相在纳米范围内结合形成，两相界面间存在较强或较弱化学键，它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性质于一身的新材料，特别是无机与有机的界面特性将使其具有更广阔的应用前景。48、 量子力学理论的计算和科
20、学实验的证明， 当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时， 电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应， 而跃迁形成的电流叫做隧道电流。 之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样。隧道电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离非常敏感，如果把距离减少 0.1 纳米，隧道电流就会增大一个数量级。49、 利用探针与样品在近距离 （小于 0.1 纳米） 时， 由于二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感； 当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时， 由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化
21、， 而距离的变化引起了隧道电流的变化； 控制和记录隧道电流的变化， 并把信号送入计算机进行处理， 就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像。50、STM 具有极高的分辨率，它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。STM 的图像真实，STM 得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，STM是真正看到了原子。STM 的使用环境宽松，电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而 STM 既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因
22、此 STM 适用于各种工作环境下的科学实验。STM的应用领域广泛，STM 的针尖不仅可成像，还可用于操纵表面上的原子或分子。STM 的价格相对较低，STM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。这对于 STM 的推广是有好处的。51、原子力显微镜(AFM)类似于 STM 的显微技术，它的许多元件与 STM 是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。 与 STM 主要不同点：用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖代替了 STM 中的探测微小隧道电流。 正是由于 AFM 工作时不需要探测隧道电流，所以可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子。52、 AFM 工
23、作原理对微弱力极其敏感的微悬臂一端被固定， 另一端则有一微小的针尖。 AFM在图象扫描时， 针尖与样品表面轻轻接触， 而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-810-6N） ，会使得悬臂产生微小的偏转。这种偏转被检测出并用作反馈来保持力的恒定， 就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化， 从而可以获得样品表面形貌的图象。 采用不同的微悬臂的检测方式就构成了不同的 AFM 工作原理。53、原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了 STM 的不足。54、分子自组装:在平衡的条件下，通过化学键或非化学键相互作用，自发地缔合形成性
24、能稳定的、 结构完整的二维或三维超分子的过程。 主要包括: 基于化学吸附的自组装膜技术；基于物理吸附的离子自组装膜技术；基于分子识别的超分子合成技术。55、分子识别：某给定受体对作用物或给体选择性结合并产生某种特定功能的过程。包含两方面：分子间有几何尺寸、形状上的相互识别；分子对氢键、p-p相互作用等非共价相互作用的识别。56、超分子合成技术：在平衡条件下，分子间通过弱的、可逆的非共价相互作用(主要是疏水亲水作用力、范德华力、静电引力、氢键)自发组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的超分子聚集体的技术，是超分子化学的重要组成部分。分子晶体、液晶、胶束、三维骨架等都可由此制备。5
25、7、纳米器件就是指器件的特征尺寸在纳米范围内的器件(更宽泛地看，也可以称之为纳米结构)。它在空间尺度上介于微观体系(如原子和分子)与宏观体系(如块体)之间，通常也称之为介观体系。58、描述器件工作原理通常是以电子在器件结构中运动的方程，电子输运方程为基础。微电子器件中的电子输运适合于玻尔兹曼方程， 而纳米电子器件中电子的运动遵从量子力学原理。 微电子器件中电子更多地表现出粒子性，纳米电子器件中电子更多地表现出波动性，其中量子效应起重要作用。 因此， 不论是在器件的制备， 还是在器件的工作原理和应用方面，纳米电子器件与微电子器件都有显著的差别。二、简答题二、简答题基本概念：基本概念：纳米科技、纳
26、米材料、介观领域、纳米组装、纳米结构、能级结构特征、量子点、原子团簇、人造原子/纳米介孔材料、纳米复合材料、分子自组装、LB 膜、纳米器件、分子器件、分子机器、碳纳米管显示器、纳米反应器、DNA 计算机。基本原理：基本原理：小尺寸效应、表面效应、量子限域效应、量子隧穿、库仑阻塞、隐身原理、蓝（红）移现象与原理。三、问答题：三、问答题：1、人造原子与真正原子的相似和区别；2、比较纳米管与纳米带的性能与特征；3、纳米微粒表面修饰的方法及目的；4、对于纳米微粒，如何进行分散才能抑制其团聚，尤其是硬团聚？5、碳的同素异构体；6何谓纳米靶向药物，其主要作用是什么？7何为原子操纵？其研究意义有哪些？8、如何正确理解碳纳米管的稳定性？9、如何理解纳米科技的重大意义？10、物质从宏观领域通向微观领域认识过程中纳米材料学起到了怎样的作用？
