纳米材料概述第1章.ppt

1 纳米材料基础与应用 作 者: 林志东 主编 出版社: 北京大学出版社 出版时间: 2010.8 纳米材料和纳米结构 作 者: 张立德 牟季美 主编 出版社: 科学出版社 出版时间: 2001 考核方式: 30%（出勤和报告？）+70%(开卷) 3 主要内容 一、纳 米 和 纳 米 科 技 二、纳米材料的概念和分类 三、纳米材料的性质及应用 4 纳米在哪里？ 一、纳米和纳米科技 n 纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形 成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物 等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有 1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的 原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代 铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜 。蜜蜂、海龟不迷路-体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘 ）。 纳米在哪里？ 一、纳米和纳米科技 6 1、什么是纳米？ 纳米不是“ 米”，是长度计量单位，一米的十亿 分之一(10-9米) ，万分之一头发粗细（人的头发直 径约为80-100微米 ），形象地讲，一纳米的物体放 到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。 纳米结构纳米结构: : 通常是指尺寸在通常是指尺寸在100100纳米以下（纳米以下（1-100nm1-100nm ）的微小结构。）的微小结构。 “纳”(nano)来自于希腊文，本意是“ 矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。 空间尺度的划分 n宇观(Cosmoscopic) n遥观(Remote sensoscopic) n宏观(Macroscopic) n显微观(Optico-microscopic) n介观(Mesoscopic) 或纳米观(Nanoscopic): 1100nm n微观(Microscopic) n皮米观(Picosopic) n飞米观(Fentoscopic) n亚飞米观(Subfentoscopic 8 Human Hair 一纳米有多小？一纳米有多小？ 9 病毒：病毒： 30-100nm30-100nm 纳米粒子与病毒大小相当 红血球：红血球：200-300nm200-300nm细菌：细菌： 200-600nm200-600nm 胃幽门 螺杆菌 花粉是纳米级的粒子 DNA 1nm量级 分子 0.1nm量级 壁虎的吸盘结构 14 2、什么是纳米科技？ 1959年费曼在一次题为在底部还有很大空间（“There is Plenty of Room at the Bottom. ”）著名的演讲中提出 “如果有 一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇 迹呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机 器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始 组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的最 早的动意/梦想。 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的 是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者 理查德费曼(Richard P Feynman)。 15 纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。 1982年，宾尼希(CBinnig)和罗雷尔(HRohrer)等人发 明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道 显微镜(scanning tunneling microscopy，STM)。STM不 仅以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世 界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人 类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。 16 扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1 纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来描绘表面三 维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，还 可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子 ，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。 STM头部 由STM头部、电子学处理 系统，减震系统以及计算 机系统组成。 扫描隧道显微镜 17 基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针（针 尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于1纳 米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和 样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（ 10-9 A）的隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距的 恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描时，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，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三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于导 体和半导体表面的测定。 扫描隧道显微镜的工作原理 18 高序石墨原子 STM图象 用STM描绘样品表面三维的原子结构: 硅表面硅原子 STM图象 19 1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马 登研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了 一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移 动到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这 三个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。 20 1991年IBM公司的“拼字”科研 小组利用STM把一氧化碳分子 竖立在铂表面上、分子间距约 0.5纳米的“分子人”，这个“分 子人”从头到脚只有5纳米，堪 称世界上最小的人形图案 。 21 1993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原 子写出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占 有一席之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互 作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国”的图形。） 22 世界上最小的中国地图 中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通 过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。 q1993年，Eigler组，量子围栏。 q 将48个吸附在Cu（111）表面上的铁原子移 动形成空心围拦，半径7.13nm。 照片中反映的是电子密度的高低，围栏内 是电子密度波的驻波。入射的表面态电子 波与从铁原子散射的电子波之间的干涉会 形成围绕铁原子的驻波，从而引起表面局 域电子态密度的变化。 24 目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳 米尺度（1100纳米）上研究物质（包括原子、分子 的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性 和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳 米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交 叉性质的前沿领域。 25 纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳 米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳 米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代 的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可 少的手段和理论与实验的重要基础。 26 传统的生产模式传统的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木 到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂等等 许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大。 纳米科技的最终目的：是按人的意愿，操纵单个原子、分子是按人的意愿，操纵单个原子、分子 ，构建，构建纳米级纳米级的具有一定功能的具有一定功能的器件或产品的器件或产品。 纳米科技研究的技术路线：可分为“自上而下”和“自下而上”两 种方式。 “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 (传统技术)； 27 “自下而上(bottom-up)” 是指以原子、分子为基本单元 ，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品， 这主要是意愿进行利用化学和生物学技术 (纳米技术) 。 注： “自下而上“的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将 愈来愈受到重视。 纳米技术纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分 子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低原材料浪费为零，能耗降到极低 ，彻底从技术上解决了环保问题。，彻底从技术上解决了环保问题。 28 纳米这项新技术的诞生,其用途之广,涉及领域 之多,前所未有。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。 29 当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了 微米和亚微米的量级, 电子器件的集成度越来越高 ，已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于 电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器 件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正 是面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地 里，新的发现，新的成果不断涌现。 30 纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利 用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电 路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓 的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至 能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的 数字电路或存储器。开发单电子晶体管, 只要控制一个电子 的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的100010000 分之一。 31 纳米存储器，存储密度可达 每平方厘米10万亿字节。 32 基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产 生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。 物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不 就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储 器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张 同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来 的全部知识！ 33 科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米 到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量 与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加， 使得材料的性质发生了意想不到的变化。 34 陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性， 工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发 动机的理想材料。陶瓷材料在通常情况下 呈脆性； 由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好 的韧性。因为纳米材料具有较大的界面， 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 甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更 高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞 得更高。 纳米陶瓷 35 具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中 非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有 几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质 ：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的 导电性十分怪异. 不同结构碳纳米管的导电性可能呈 现良导体、半导体、甚至绝缘体。 因此它也许能成为纳米级印刷电路 的材料。碳纳米管可能做成纳米开 关，或者做成极细的针头用于给细 胞“打针”等等。碳纳米管 36 太空升降机 由于碳纳米管 的强度高、重量轻，如果把它 做成“太空电梯”缆绳，使缆 绳的长度是从同步轨道卫星下 垂到地面的距离，它也完全可 以经得住自身的重量。到那个 时候，人类到太空旅行将是一 件轻而易举的事情。如果用它 做成地球-月球乘人的电梯，人 们在月球定居就很容易了。 37 纳米壁挂电视 用纳米有机 发光材料制作的电视屏幕可 以象一幅图画一样卷起来带 走。纳米有机发光材料的特 点是材料既具有柔性，同时 可以在电场的作用下发出各 种颜色的光。用碳纳米管制 成电子枪,可点亮新一代平面 显示屏。 38 纳米固体燃料 实验发现 纳米铜和铝一遇到空气就会 激烈燃烧，发生爆炸，可以 作为未来的固体燃料使火箭 具有更大的推动力。 39 纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效 吸收红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的反 射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐 身作用。 美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机 40 车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些 下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方 向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们 已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自 组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米 探针、分子泵、分子开关和分子马达等。 41 分子自组装 两种不同的分子在分子之间 力的作用下在溶液中自组装的 情形。由于纳米尺寸非常之小 ，纳米机械必须具有自组装、 自我复制等功能。 由碳纳米管制作的纳米 齿轮模型，纳米齿轮上 的原子清晰可见。 纳米齿轮 42 分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的 纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、 肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞 分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道 ，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质 功能。 ATP酶（分子马达） ATP酶（adenosinetriphosphatase） 可催化ATP水解生成ADP及无机磷的反 应，这一反应放出大量能量，以供生物 体进行生命过程 43 纳米直升机 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出 了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机”。其中 的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得 金属推进器的运转速率达到每秒8圈，利用这个能量它们可以在 人的细胞内“飞翔”和“着陆”。这种技术仍处于研制初期，它的控 制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药 物等医疗任务。 44 美国朗讯科技公司和英国牛津大学的 科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造 出了一种纳米级的镊子，每条臂长只 有7nm 。利用DNA基本元件碱基的配对 机制，可以用DNA为“燃料” 控制 这种镊子反复开合。利用它将可以制 造出分子大小的电子电路，使未来的 计算机体积更小，运算速度更快。 匪夷所思的DNA镊子 如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意 组合，制造纳米机械就容易多了。 45 用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微 型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝； 只有蜜蜂大小且能升空的直升机，眼睛几乎看不见的发 动机； 提供化工使用的火柴盒大小的反应器； 驰骋未来战场上的纳米武器，如麻雀卫星、蚂蚁士兵、 蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草等。 纳米机械产品 46 47 “麻雀卫星” 质量不足10千克，各种部件全 部用纳米材料制造，一枚小型 火箭一次就可以发射数百颗。 若在太阳同步轨道上等间隔地 部署648颗功能不同的“麻雀卫 星”，就可以保证在任何时刻对 地球上任何一点进行连续监视， 即使少数失灵，整个卫星网络 的工作也不会受影响。 48 纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜 （SPM） 的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程 是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生 物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子 的操纵和改性为目标的。 49 生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观 念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有自 我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分 子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生 物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算 机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材 料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。 50 右图为科学家幻想的人体中的血红 细胞和人造细胞在一起的情景。人 体中红血球的重要功能之一是向身 体的各个部分输送氧分子，如果身 体的某些部分缺氧，那部分就会感 到疲劳。画中的蓝色小球（纳米人 造细胞）称为呼吸者，它们不仅具 有比红血球携带氧分子多数百倍的 功能，而且本身装有纳米计算机、 纳米泵，可以根据需要将氧释放， 同时将无用的二氧化碳带走。 51 由于纳米机器人可以小到 在人的血管中自由的游动， 对于象脑血栓、动脉硬化等 病灶，它们可以非常容易的 予以清理，而不用再进行危 险的开颅、开胸手术。纳米 仿生机器人可以为人体传送 药物，进行细胞修复等工作 纳米生物机器人在疏通血管 52 用纳米材料制成的人工 眼球，不仅可以象真的眼 睛一样同步移动，也能通 过电脉冲刺激大脑神经， 看到精彩的世界。 53 “纳米生物导弹”专门对付 癌症，这一针对癌症的超细 纳米药物，能将抗肿瘤药物 连接在磁性超微粒子上，定 向射向癌细胞，并把它们全 歼。 Treating Disease: Nanoparticles would deliver treatments to specifically targeted sites, including places that standard drugs do not reach easily. For example, gold nanoparticles (spheres) that were targeted to tumors might, when hit by infrared light, heat up enough to destroy the growths. 54 纳米细胞修复器纳米细胞修复器用于修复细用于修复细 胞内的各种病变，如线粒体胞内的各种病变，如线粒体 、细胞核的病变；、细胞核的病变； 55 如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类： (1) 零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如纳米尺度颗 粒、原子团簇等； (2) 一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如 纳米丝、纳米 棒、纳米管、纳米带等； (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。 二、纳米材料的概念和分类 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。 56 57 纳米材料大部分都是由人工制备的，属于人工材 料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体 。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是 由纳米微粒构成的。而浩瀚的海洋就是一个庞大 超微粒的聚集场所。 由于这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一 维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量 子阱之称。 58 Ag nanosphere particles (10nm) CdS nanocrystals (3.8nm) 59 InSe nanocrystals (7.5nm) (富勒烯 ) 1985年，克罗托、科尔和斯莫利激光气化蒸发石墨获得 61 Diameter: 57nm Length: 400nm PbCrO4 nanorodsVO2 nanorods Diameter: 40-60nm Length: 1-2um 62 Ag2Se nanowires Diameter: 30-40nm Length: 50um 63 ZnO nanotubes Outer diameter: 80nm Wall thickness: 20nm 64 CdS nanobelts Width: several tens to several hundreds of nanometers Thickness: 60nm Length: several tens to several hundreds of micrometers; some of them even have lengths on the order of millimeter. 碳纳米管是一种长度和直径之比很高的 纤维。它韧性极高，兼具金属性和半导 体性，强度比钢高100倍，而重量只有 钢的1/6。科学家们已经研制成功了世 界上最小的碳管，他们认为这将是最细 和最稳定的纳米碳管。这种小小的圆柱 体直径仅为0.4纳米。 1991年，日本科学家饭岛澄男用电弧放电 法制备了碳纳米管。并认识到它是一种新的 重要的碳的存在形态 参数/样品2008042401 Ni厚度nm21 预处理min10 气压 Pa400800 温度 650 Ar：C2H280：80 Ua V850 Ia mA190 Pf W155 Rf W0.3 生长时间min10 PECVD生长的碳纳米管，直径约为20- 50nm 10000C退火处理之后的扫描电镜 SEM，碳纳米管的直径约为 10- 40nm， 2010年， 水热法生 长的ZnO 纳米线， 直径约为 260nm， 长度约为 15um 2010年 ，热氧 法生长 的ZnO 纳米线 ， 直径约 为80nm ， 2009年， 气相输运 法生长的 ZnO纳米 线 2009年， 热氧化法 生长的 ZnO纳米 线， 其纳米线 长度约在2 -15微米。 直径约10- 30纳米 2009年， 气相输运 法生长的 ZnO纳米 线 68 Al2O3 porous film Porous diameter :70nm 69 Co(OH)2 hexagonal nanoplatelets - Co(OH)2 - Co(OH)2 Width: several micrometers Thickness: 15nm Note: The insets show bottles of the suspensions obtained by dispersing the platelets in ethanol. 石墨烯（Graphene）是由碳 原子构成的只有一层原子厚度 的二维晶体。它的晶格是由六 个碳原子围成的六边形，厚度 为一个原子层。碳原子之间结 合方式为sp2杂化，这赋予了 石墨烯极其优异的力学性质和 结构刚性。石墨烯的硬度比最 好的钢铁强100倍。在石墨烯 中，每个碳原子都有一个未成 键的p电子，这些p电子可以在 晶体中自由移动，且运动速度 高达光速的1/300，赋予了石 墨烯良好的导电性。 2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德 烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功从石 墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在， 两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学 奖。 71 (a)(b) Cu3SnS4 nanoshell tubes The individual nanoshell tube is made up of spherical nanoparticles with diameter of 20-50nm. 72 - Fe2O3 urchin-like superstructure These Fe2O3 nanorods attach together and assemble into 3D urchin-like superstructures with rod-like crystallites radiating from the center. The individual nanorods have a mean diameter of about 80nm. 73 PbS 3D dendritic nanostructure The length of the trunk and the diameter of the branches of the PbS dendrites is about 2-4um and 40-100nm, respectively. 74 Porous CuInS2 microspheres The microspheres are composed of nanosheets with average thickness of 30nm. These nanosheets interconnnect with each other to form an entangled network-like architecture with irregular-shaped pore. ZnO的各种纳米结构 76 按化学组成可分为：纳米金属、纳米非金属、纳米塑 料、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材 料等。 按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳 米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳 米热电材料等。 按应用可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳 米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。 77 三、纳米材料的性质及应用 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，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。 铂黑能吸附大量的氢、氧等 气体，在许多气体反应中可 用作催化剂 将铂黑镀在铂或金电极的表 面上，常用作氢电极或其他 气体电极 78 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。利用这个特性可以高效率地将太阳 能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐 身技术等。 F117A型隐身战斗机 1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包 覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的 电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成 功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。 79 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1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，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。 80 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉 体作为火箭的固体燃料、催化剂。 例如, 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超 微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加 l 倍。 81 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。 3、特殊的磁学性质 82 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 20纳米的磁性氧化 物颗粒。 何为趋磁细菌？世纪年代，美国微生物学家勃列依克摩尔在大 西洋底发现了一种奇异的细菌，它们总是沿着地磁场的磁力线运动。一 起行动时，自动排成一条条“生物磁力线”，十分美观。它们决不会自乱 阵脚，勃列依克摩尔就美其名曰“趋磁细菌”。 83 a) 活的细菌体内完整的磁小体 它们为什么具有这种特殊的功能呢？经美、德、日等国科学家多年的研 究，发现趋磁细菌的细胞中有一种“磁小体”。每个磁小体都是一个被磷 脂膜包覆的高纯度、纳米级、有独特结构的单磁畴小晶体。这些磁小体 沿细胞的长轴排列成链状，使每个细菌都成了一个小小“指南针”，彼此 首尾相吸沿着地磁场排列了起来。 b) 获得的磁小体链 84 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 20纳米以 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纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性 。 超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸(如Fe3O430nm) 后,在有外加磁场存在时,表现出较强的磁性.但当外磁场撤消时，无剩 磁，不再表现出磁性。 矫顽力是指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少 至零时所需的磁场强度（或抹去磁带上已记录的编码信息所需要的磁 力）.它是粒子形态和尺寸的函数。 85 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、磁盘及磁卡中。 86 磁性液体（magnetic liquids）是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的 磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁 性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂 ）中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电 磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。 利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体， 用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、磁性传感器、选矿 等领域 。 原理示意图磁性液体受磁场作用 87 4、特殊的力学性质 由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应，1克纳 米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产 品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，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，12级台风有也吹不掉它。 88 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