第一章基础概念和性质

纳米材料合成与应用，李建江ljjqdn ，参考资料，国家纳米科学中心，2010.7，教育部发表了“高校新本科新兴产业相关本科新专业列表”，包括“纳米材料与技术，纳米经济与技术”的新专业。第一章引言，阶梯碳纳米管绳梯(20世纪90年代提出)，铁原子的移动过程，新的哑光纳米涂层材料，超强纳米纸比钢更坚硬，一，纳米基本知识，“纳米”作为测量单位在英语nanometer中翻译。1纳米(nm)等于10亿分之一米(10-9米)，大约45个原子相互连接。纳米结构通常是指大小在100纳米以下的小型结构。什么是纳米？纳米技术研究的范围为1 100纳米。0.1纳米是因为个别氢原子的大小，所以所谓的0.1纳米水平的“纳米技术”并不存在。Howsmallis1nanometer？reallyreallysmall！纳米技术开发：1959年，在纳米水平进行科学研究的费曼“thereis aplentyofroomatthebottom”，是1990年纳米技术正式形成的标志：我们在美国举行的纳米技术会议上的纳米技术理论研究和纳米材料制造始于20世纪80年代中期，从20世纪80年代中期开始，我国的纳米先锋们开始对纳米科学和纳米技术进行科学研究。进行了10年的“纳米科学攀登计划”和一系列高级材料的研究计划是核心活动。已经投入了数千万元的资金。有力的领域是开发利用纳米探针和纳米管的生产工艺。中国科学院纳米技术项目首席科学家白春利学者，“纳米技术建筑”，第二，纳米材料是什么，功能材料：具有多种物理和化学功能，可用于工业和技术(如光、电、声、磁、热等)。纳米材料：组合相或晶格是任何一维大小小于100纳米的材料功能材料不一定是纳米材料，但是纳米材料可能是功能材料，甚至是同时具有多种功能的材料。例如：纳米ZnO粉末具有抗菌性，可吸收性，对橡胶增加耐磨性和抗老化功能。纳米材料在三维空间中至少有一个维度在纳米尺度范围内，或者是由基本单位组成的物质，也称为超分子材料。零维：纳米粒子，一维：纳米线，纳米棒，纳米管，二维：纳米薄膜，纳米多层膜，分类，零维：意味着空间的三维尺度都在纳米尺度上，例如纳米粒子，原子簇等。nanopartericlesofni，-Al2O3，TiO 2，一维：指纳米线、纳米条、纳米管等空间中的二维纳米尺度。NdB19Fe78Co1.7Cu0.3，二维：在三维空间中表示一维纳米尺度，如薄膜、多层膜、超晶格等。通常认为纳米材料在两个基本条件：(1)材料的特征大小在1到100nm之间。(2)材料目前具有区别一般尺寸材料的一些特殊的物理和化学特性。(电阻材料SiO2由纳米材料制成后可以成为导体材料；在用超导体制造纳米材料后，还有将纳米材料制成超导体的电阻材料，3，纳米材料大小小(纳米)，有效表面积大(相同质量的材料颗粒表面积大)，表面能量高，表面原子的比例大，这些特性使得纳米材料具有特殊的小尺寸效果，表面效果，量子大小效果，宏观的量子隧穿效果这种效果的宏观表现是纳米材料数量变化的多种性能指标，如导电材料的电导率、机械强度、磁性材料的磁化率、生物材料的分解速度等。1 .小尺寸效应会根据粒子大小的数量在一定条件下引起粒子特性的质性变化。粒子大小变小导致的宏观物理特性变化称为小尺寸效应。超微粒子的体积变小，其比表面积也大大增加，产生了一系列新颖的特性，例如：(1)特殊光学特性：(2)特殊热特性：(3)特殊磁特性：(4)特殊机械特性：吸收光大大增加，所有金属的光泽都变黑了；非导电材料的导电性；金属熔点的显着减少应用：电磁屏蔽辐射隐形飞机，2 .由于表面效应，纳米材料的体积很小，粒子表面所占的原子比存在于相同质量的非纳米材料粒子表面的原子数量要多得多。纳米粒子大小与表面原子数量的关系，粒子大小减少，表面原子数量急剧增加。这是因为粒子大小小，表面积急剧大。例如，如果粒子大小为10nm，则比表面积为90 m2/g，粒子大小为5nm，则比表面积为180 m2/g，粒子大小下降为2nm，表面积急剧增加为450 m2/g。与这样高的表面相比，表面上原子的数量更多，同时表面能量的快速增加，表面原子特性：原子配位不满意，多空中耦合高表面能，高表面能使这些表面原子具有高活性，很容易不稳定地与其他原子结合。例如，a:金属中的纳米粒子在空气中燃烧，b:无机纳米粒子暴露在空气中吸附气体，如图所示是单个立方体粒子的二维平面图，假定粒子为圆形，-位于表面的原子。很明显，粒子大小为3nm，原子间距约为0.3nm的内部原子，其单原子型的原子近端胃不完全。以纳米粒子表面活性高的原因为例，近邻上的“a”原子、“a”等表面原子非常不稳定，很快就会跑到“b”位置。这些表面原子遇到其他原子，迅速结合，使其稳定下来，这是活性的。3 .量子尺寸效应，在纳米材料中，粒子大小与光波波长或其他相干波长等物理特征的大小相对应，或者更高，金属费米水平附近电子的能量准位在准连续中离散，扩大缝隙的现象称为纳米材料的量子尺寸效应。久保公式，风格能级间距；EF是费米级别(特定材质的特定值)。n是粒子中的电子总数。=4EF/3N，对于包含无限原子的宏对象，N，delta0，即宏对象的能量级间隔几乎为零。纳米粒子的原子数量有限，n值小，能量水平间距分裂，纳米粒子的磁、光、声、热、电和超导性与宏观物质不同，产生量子尺寸效应。能带理论表明，金属费米水平附近的电子水平一般是连续的，这只能在高温或宏观大小下成立。对于只有导电能力有限的电子的超微粒，其能量水平在低温下离散，此时必须考虑量子大小效应，这将导致纳米粒子的磁、光、声、热、电、超导电性和宏观特性发生巨大变化。纳米粒子倾向于电中性，Ag粒子在温度1K时显示量子大小效应(从导体到绝缘体)，临界粒子大小为20nm。如果、d大，则、d大，则为4。宏观量子隧穿效应，定义：纳米材料的粒子被称为具有通过屏障能力的隧道效应。量子干涉装置中宏观物理量的隧穿效应称为宏观量子隧穿效应。例如，具有铁磁性的磁体，当粒子大小达到纳米大小时，就会从铁变成顺磁性或软磁。上述小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧穿效应都是纳米粒子和纳米固体的基本特性。它使纳米粒子和纳米固体以许多奇怪的物理和化学性质出现“异常现象”。例如，金属是导体，但纳米金属粒子在低温下因量子尺寸效应而表现出电绝缘性。据悉，金属因光反射而具有多种美丽的特征颜色，金属的纳米粒子的光反射力明显下降，一般小于1%，由于小的大小和表面效应，纳米粒子对光吸收有很强的能力；例如，金属熔点下降，金的熔点和粒度之间的关系，w ronnski计算了Au粒子的粒度和熔点之间的关系，如图所示。如果粒子大小小于10nm，则表明熔点急剧下降。纳米粒子的热特性、纳米粒子的熔点、起始烧结温度和结晶温度比传统粉末低得多。原因：由于粒子小，纳米粒子的表面能量大于表面原子数量，这些表面原子比不同的配位不完全、活性和体积大的物质小得多，纳米粒子融化时添加的内部能量变小了很多，纳米粒子的熔点急剧减少。纳米材料的分类，纳米材料是具有微观结构的材料上的纳米尺度的材料，是几种典型的纳米材料纳米颗粒型，纳米颗粒型纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性材料，纳米粒子，实度在1 100n m之间的粒子的融合，是这种几何大小的各种粒子凝聚体的总称。可以是球形、薄片、杆、针、星形、网格等形式。适用范围，(1)利用纳米粒子表面有效反应中心的比较多的特性，可以制造高效催化剂。(2)可制作高性能、高密度的磁记录材料。(3)高表面积，高敏感性，成为传感器最有希望的材料。(4)用于医学和生物工程领域病变部位诊断和治疗的极小的主导尺寸。用途：吸波隐身材料，辐射膀胱材料，单晶硅和精密光学装置抛光材料，电池电极材料，太阳能电池材料，高效催化剂，高效燃烧剂，高韧性陶瓷材料，人体还原材料和抗癌剂等。纳米固体，纳米固体材料通常是指在高压力下由15纳米以下的微粒成型或在特定热处理工艺后生成的致密固体材料。纳米薄膜材料，纳米薄膜是指由大小以纳米为单位的颗粒(或粒子)组成的薄膜，以及各层厚度以纳米为单位的单层或多层膜。碳纳米管纳米管纳米管、纳米棒、纳米管、碳纳米管是1991年日本电子显微镜学者鲍勃多教授通过高分辨率电子显微镜发现的，碳材料系列新成员中的黑粉。一种由类似石墨的碳原子六边形网格组成的管子，通常由几层组成，直径从几纳米到几十纳米，长度达几微米到几毫米。碳纳米管本身具有非常完美的结构，意味着它有很好的性能。在一维方向上的强度可以超过导线强度，并且具有非常好的导电、导热和电气特性，这是