稳态体系自由能最低的平衡状态亚稳态如果体系能量ppt课件

1、稳稳 态：体系自在能最低的平衡形状。态：体系自在能最低的平衡形状。 亚稳态：假设体系能量高于平衡态时的自在能，那么是一种非平亚稳态：假设体系能量高于平衡态时的自在能，那么是一种非平 衡形状。衡形状。 同一化学成分的资料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时同一化学成分的资料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因构成条件的不同而呈多种方式，它们所的性能，而且亚稳态可因构成条件的不同而呈多种方式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态资料的某些性能会优于表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态资料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对资料亚其处于平衡态时的性能

2、，甚至出现特殊的性能。因此，对资料亚稳态的研讨不仅有实际上的意义，更具有重要的适用价值。稳态的研讨不仅有实际上的意义，更具有重要的适用价值。 资料的亚稳态 w非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： w1细晶组织细晶组织 w 当组织细小时，界面增多，自在能升高，当组织细小时，界面增多，自在能升高，故为亚稳形状。故为亚稳形状。 w2高密度晶体缺陷的存在高密度晶体缺陷的存在 w 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体构造晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体构造陈列的规那么性下降，故体系自在能增高。陈列的规那么性下降，故体系自在能增高。 w3构成过饱和固溶体构成过饱和固溶体 w 即

3、溶质原子在固溶体中的浓度超越平衡浓即溶质原子在固溶体中的浓度超越平衡浓度，甚至在平衡形状是互不溶解的组元发生了度，甚至在平衡形状是互不溶解的组元发生了相互溶解相互溶解 。 w4发生非平衡转变，生成具有与原先不同发生非平衡转变，生成具有与原先不同构造的亚稳新相构造的亚稳新相 w 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体例如钢及合金中的马氏体、贝氏体w5由晶态转变为非晶态，由构造有序变为由晶态转变为非晶态，由构造有序变为构造无序，自在能增高构造无序，自在能增高 。纳米晶资料的构造纳米晶资料的构造 纳米晶资料纳米构造资料是由至纳米晶资料纳米构造资料是由至少在一个方向上尺寸为几个纳米的构造单少在一个方向上尺寸为

4、几个纳米的构造单元主要是晶体所构成。元主要是晶体所构成。 纳米晶资料是一种非平衡态的构造，其中纳米晶资料是一种非平衡态的构造，其中存在大量的晶体缺陷。纳米资料也可由非晶存在大量的晶体缺陷。纳米资料也可由非晶物质组成。物质组成。 由不同化学成分物相所组成的纳米晶资料，由不同化学成分物相所组成的纳米晶资料，通常称为纳米复合资料。通常称为纳米复合资料。 1.纳纳 米米 材材 料料 的的 发发 现现w 组成资料的物质颗粒变小了，“小不点会不会与“大个子的性质很不一样呢？这便是纳米资料的发现者德国物理学家格莱特Grant的科学思绪。w 那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他单独驾车横穿澳大利亚

5、的大沙漠时，空阔、寂寞和孤单的环境反而使他的思想特别活泼和敏锐。他长期从事晶体资料的研讨，了解晶体的晶粒大小对资料的性能有很大的影响，晶粒越小，强度就越高。w 格莱特上面的想象只是资料的普通规律，他的想法一步格莱特上面的想象只是资料的普通规律，他的想法一步一步地深化，假设组成资料的晶体晶粒细到只需几个纳米大一步地深化，假设组成资料的晶体晶粒细到只需几个纳米大小，资料会是个什么样子呢？或许会发生小，资料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地的变翻天覆地的变化吧！化吧！w 格莱特带着这些想法回国后，立刻开场实验，经过将近格莱特带着这些想法回国后，立刻开场实验，经过将近4年的努力，终于在年的努力，终

6、于在1984年制得了只需几个纳米大小的超细年制得了只需几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。w 格莱特在研讨这些超细粉末时发现了一个非常有趣的格莱特在研讨这些超细粉末时发现了一个非常有趣的景象。景象。w 众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是雪白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的资料，的，银子是雪白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的资料，例如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的颜色，例如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的颜

7、色，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是艳丽无比。料更是艳丽无比。w 可是，一旦一切这些资料都被制成超细粉末时，它们的可是，一旦一切这些资料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一概都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统颜色便一概都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色统变成了一种颜色黑色。正像格莱特想像的那样，黑色。正像格莱特想像的那样，“小小不点与不点与“大个子相比，性能上发生了大个子相比，性能上发生了“翻天覆地翻天覆地的变化。的变化。w w 为什么无论什么资料，一旦制成纳米为什么无论什么资料，一旦制

8、成纳米“小不点，就都成小不点，就都成了黑色的呢？原来，当资料的颗粒尺寸变到小于光波的波长了黑色的呢？原来，当资料的颗粒尺寸变到小于光波的波长110-7 m左右时，它对光的反射才干变得非常低，大左右时，它对光的反射才干变得非常低，大约低到小于约低到小于1，既然超细粉末对光的反射才干很小，我们，既然超细粉末对光的反射才干很小，我们见到的纳米资料便都是黑色的了。见到的纳米资料便都是黑色的了。w “小不点性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的小不点性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，通畅使金属从美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，通畅使金属从导电体变成

9、了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。制品再也不会一摔就破了。w 格莱特的发现曾经和正在改动科学技术中的一些传统概格莱特的发现曾经和正在改动科学技术中的一些传统概念。因此，纳米资料将是念。因此，纳米资料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产世纪备受瞩目的一种高新技术产品。品。2. 纳米晶资料的性能纳米晶资料的性能w纳米晶资料不仅具有高的强度和硬度，其塑性韧性也大大改善。纳米晶导电金属的电阻高于多晶资料，纳米半导体资料却具有高的电导率 ，纳米铁磁资料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。 w纳米资料的其他性能，

10、如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。 3 . 纳米晶资料的构成 纳米晶资料可由多种途径构成，主要归纳于以下四方面。纳米晶资料可由多种途径构成，主要归纳于以下四方面。 1以非晶态金属玻璃或溶胶为起始相，使之在晶化过以非晶态金属玻璃或溶胶为起始相，使之在晶化过程中构成大量的晶核而生长成为纳米晶资料。程中构成大量的晶核而生长成为纳米晶资料。 2起始为通常粗晶资料，经过剧烈塑性形变如高能球磨、起始为通常粗晶资料，经过剧烈塑性形变如高能球磨、高速应变、爆炸成形等手段或呵斥局域原子迁移如高能粒高速应变、爆炸成形等手段或呵斥局域原子迁移如高能粒子辐照、火花刻蚀等使之

11、产生高密度缺陷而致自在能升高，子辐照、火花刻蚀等使之产生高密度缺陷而致自在能升高，转变构成亚稳态纳米晶。转变构成亚稳态纳米晶。 3经过蒸发、溅射等堆积途径，如物理气相堆积经过蒸发、溅射等堆积途径，如物理气相堆积PVD、化学气相堆积化学气相堆积CVD、电化学方法等生成纳米微粒然后固、电化学方法等生成纳米微粒然后固化，或在基底资料上构成纳米晶薄膜资料。化，或在基底资料上构成纳米晶薄膜资料。 4沉淀反响方法，如溶胶一凝胶沉淀反响方法，如溶胶一凝胶sol-gel，热处置时效，热处置时效沉淀法等，析出纳米微粒。沉淀法等，析出纳米微粒。新纳米构造新纳米构造1.- turumenwtn管状石墨锥管状石墨锥

12、新纳米构造的探求是近年来物理、化学、资料等领域的研讨热点之一。中科院物理所王恩哥小组在多年从事CVD方法制备轻元素纳米构造的根底上，用自行研制的微波等离子体CVD系统在铁针尖上胜利合成了一种新纳米构造 - 管状石墨锥。为了进一步确定这种特殊构造，博士生张广宇同窗赴德国夫琅和夫研讨所在姜辛博士的指点下，进展了仔细的电镜分析。这项研讨发现，新的纳米构造的外形呈多棱锥状，锥的中心是一个空管。锥的顶部直径2 - 20个纳米，而底部直径可达1微米。更加令人惊奇的是一切的石墨层具有一样的手性zigzag型。 由于这种独特的锥状构造，它能够会在扫描探针显微学、场由于这种独特的锥状构造，它能够会在扫描探针显微

13、学、场电子发射器件、纳米加工以及生物化学等领域有广泛的运用前电子发射器件、纳米加工以及生物化学等领域有广泛的运用前景。与一样长度的碳纳米管相比，管状石墨锥具有极其优越的景。与一样长度的碳纳米管相比，管状石墨锥具有极其优越的径向机械强度和稳定性，径向机械强度和稳定性， 可以做为理想的扫描探针的针尖、纳可以做为理想的扫描探针的针尖、纳米机械压头和场发射资料。锥内的小孔径通心管几个到几十米机械压头和场发射资料。锥内的小孔径通心管几个到几十个纳米又可以做为储存和输运液态物质的纳米通道。特别重个纳米又可以做为储存和输运液态物质的纳米通道。特别重要的是，石墨锥的底部尺寸到达了微米量级，它可以用今天的要的是

14、，石墨锥的底部尺寸到达了微米量级，它可以用今天的微加工技术直接操作，是制造单个纳米器件非常理想的资料。微加工技术直接操作，是制造单个纳米器件非常理想的资料。2.被撞汽车自我愈合被撞汽车自我愈合 w 有一种正处于研发期的新资料“自我愈合资料，将是发生交通事故之后车身自我修复的关键物件。w 美国伊利诺伊州立大学教授斯科特怀特最近研制出“自我愈合资料。w “在人的终身中，人体总在不断地进展自我修复。怀特说。例如，当人的皮肤被割破时，伤口会给附近的血小板和自细胞发出信号，使它们开场自我修复任务。w “这个主意不错，在裂痕构成的同时就修复它们。怀特说。 w 经过研讨，怀特发明了这种经过研讨，怀特发明了这

15、种“自我愈合例举资料自我愈合例举资料其内部含有数百其内部含有数百万充溢液体的微型胶囊，一旦车身出现裂纹，只需万充溢液体的微型胶囊，一旦车身出现裂纹，只需01毫米厚的胶裂壁毫米厚的胶裂壁就会破裂，并释放出液态的就会破裂，并释放出液态的“修复剂二环戊二烯，在毛细管作用下，修复剂二环戊二烯，在毛细管作用下，会把液态会把液态“修复剂保送到裂痕处，涌入裂痕的修复剂保送到裂痕处，涌入裂痕的“修复剂在几分钟之内修复剂在几分钟之内就会凝固，在裂纹还很细小的时候就将它们就会凝固，在裂纹还很细小的时候就将它们“填平，从而显著延伸汽填平，从而显著延伸汽车的运用寿命。车的运用寿命。 自然界中的纳米高手自然界中的纳米高

16、手 w 纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术，那么是在纳米尺度纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术，那么是在纳米尺度(1到到1000纳米之间纳米之间)上研讨物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，上研讨物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，纳米资料是其主要的研讨对象与根底。纳米资料是其主要的研讨对象与根底。w 现实上，纳米技术并不奥秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米资料和现实上，纳米技术并不奥秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米资料和纳米技术就曾经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长

17、起来的，所以纳米技术就曾经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样巩固；植物和头发是一才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样巩固；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才干不纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才干不沾水，就连我们人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂！沾水，就连我们人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂！ 1.洁身自好的莲花洁身自好的莲花 一提到莲花，人们就会很

18、自然一提到莲花，人们就会很自然地联想到荷叶上滚动的露珠，即地联想到荷叶上滚动的露珠，即所谓的莲花效应。那么，什么缘所谓的莲花效应。那么，什么缘由导致了这种莲花效应呢？莲花由导致了这种莲花效应呢？莲花效应又能给莲花本身带来什么益效应又能给莲花本身带来什么益处？处？ 现代电子显微镜技术给可以现代电子显微镜技术给可以协助我们给出正确的答案。经过协助我们给出正确的答案。经过电子显微镜，可以察看到莲叶外电子显微镜，可以察看到莲叶外表覆盖着无数尺寸约表覆盖着无数尺寸约10个微米突个微米突包，而每个突包的外表又布满了包，而每个突包的外表又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。直径仅为几百纳米的更细的绒毛。这是

19、自然界中生物长期进化的结这是自然界中生物长期进化的结果，正是这种特殊的纳米构造，果，正是这种特殊的纳米构造，使得荷叶外表不沾水滴。使得荷叶外表不沾水滴。 借助莲花效应，莲花可坚持叶借助莲花效应，莲花可坚持叶子清洁。当荷叶上有水珠时，风子清洁。当荷叶上有水珠时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠可吹动水珠在叶面上滚动，水珠可以粘起叶面上的灰尘，并从上面以粘起叶面上的灰尘，并从上面高速滑落，从而使得莲叶可以更高速滑落，从而使得莲叶可以更好地进展光协作用。好地进展光协作用。w2.飞檐走壁的壁虎飞檐走壁的壁虎w 壁虎可以在任何墙面上爬行，壁虎可以在任何墙面上爬行，反贴在天花板上，甚至用一只脚反贴在天花板上，

20、甚至用一只脚在天花板上倒挂。它依托的就是在天花板上倒挂。它依托的就是纳米技术。纳米技术。w 壁虎脚上覆盖着非常纤细的壁虎脚上覆盖着非常纤细的茸毛，可以使壁虎以几纳米的间茸毛，可以使壁虎以几纳米的间隔大面积地贴近墙面。虽然这些隔大面积地贴近墙面。虽然这些绒毛很懦弱，但足以使所谓的范绒毛很懦弱，但足以使所谓的范德华键发扬作用，为壁虎提供数德华键发扬作用，为壁虎提供数百万个的附着点，从而支撑其体百万个的附着点，从而支撑其体重。这种附着力可经过重。这种附着力可经过“剥落随剥落随便突破，就像扯开胶带一样，因便突破，就像扯开胶带一样，因此壁虎可以穿过天花板。此壁虎可以穿过天花板。利用利用“罗盘定位的蜜蜂罗

21、盘定位的蜜蜂 w 研讨阐明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。w 最新的科学研讨发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种“罗盘来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时，实践上就是把本人原来存储的图像和所见到的图像进展对比，直到两个图像到达一致，由此来判别本人的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进展导航，蜜蜂可以完成数公里的旅程。 五彩斑斓的蝴蝶五彩斑斓的蝴蝶w 蝴蝶由于其翅膀上变化多端、绚烂愉快的花纹而使人着蝴蝶由于其翅膀上变化多端、绚烂愉快的花纹而使人着迷。这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱的颜色