第二章纳米材料结构与物理化学特性

1、1 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 重点内容重点内容： 纳米材料的分类 纳米材料与传统材料的主要差别 物理特性：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 富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 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 2 主要英文词汇：主要英文词汇： Cluster, nanoparticle, quantum dot, one-dimensional nanomaterials, nanorod, nanowire, nanotube, nanofiber, nanocable, nanosprin

2、g， nanobelt, nanoribbon， nanoneedle3 根据维数，纳米材料可分为根据维数，纳米材料可分为、。4空间空间三维三维尺度都在纳米尺度都在纳米尺度（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 C6060富勒烯富勒烯5678李亚栋李亚栋Nature200591011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

3、子线碳原子线12一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 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。 纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带同轴纳米电缆13 纳米棒纳米棒：纵横比(长度与直径的比率)小，截面一般为圆形圆形。一般小于20。 纳米线纳米线：纵横比大，截面为一般为圆形圆形。 半导体和金属纳米线通常称为量子线 纳米带纳米带其截面为长方形长方形。 同轴纳米电缆同轴纳米电缆：芯部芯部为半导体或导体的纳米线，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。141516171819

4、Field emission property improvement of ZnO nanowires coated with amorphous carbon and carbon nitride filmsNanotechnology 16 (2005) 98598920纳米多孔薄膜纳米多孔薄膜超晶格超晶格21 量子线量子线： 是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。 量子点量子点： 是指载流子在三个方向上的运动都要受到载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度

5、上的约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的能量都是量子化的。也叫零维量子点。22 因为纳米单元往往具有量子性质量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱量子点、量子线和量子阱之称。 量子阱：量子阱： 是指载流子在两个方向（如在载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长子的德布罗意波长或电子的平均自由程或电子的平均自由程相比拟相比拟或更小。或更小。有

6、时也称为二维超晶格。二维超晶格。2D量子阱量子阱23 MCM-41; SBA-16; Nanoporous silicon; Activated carbonsMCM-4124256, 9, 20, 26 nmSBA-1626 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272.1.2 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磁畴磁畴反射反射率很率很小小282.1.2 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

7、例纳米电子材料举例29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，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，该药的一个重要组成部分是由该药的一个重要组成部分是由6060个碳原子组成的碳纳米球。个碳原子组成的碳纳米球。这个碳纳米球的形状和大小使它能够很好地与被艾滋病毒感这个碳纳米球的形状和大小使它能够很好地与被艾滋病毒感染过的细胞结合，从而把相应的药物传达至被感染的细胞。染过的细胞结合，从而把相应的药物传达至被感染的细胞。有关药物在动物试验中已经取得良好效果，一旦获得有关部有关药物在动物试验中已经取得良好效果，一旦获得有关部门批准，马上就

8、进行人体试验。门批准，马上就进行人体试验。30能储氢的纳米碳管（能储氢的纳米碳管（储氢率储氢率1010，按重量），按重量）31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： 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。 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 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。 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322.2 纳米微粒的物理特性纳米微粒的物理特性 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，

9、小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏小尺寸效应，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。 33 2.2.1 热学性能热学性能 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、相界等界等)。 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。 纳米材

10、料的这些热学性质与其晶粒尺寸热学性质与其晶粒尺寸直接相关。 34 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 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。 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。 1954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。 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。35 (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。 大块铅的熔点327 ，20 nm 纳米Pb 39 . 纳米铜(40 nm)的熔点，由1053(体相)变为750。 块状金熔点

11、 1064 ，10 nm时1037 ；2 nm时，327 ； 银块熔点，960 ；纳米银(2-3 nm)，低于100 。 用于低温焊接用于低温焊接(焊接塑料部件焊接塑料部件)。手握金汤“真金为何也怕火炼真金为何也怕火炼”36 Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如图所示。 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。37熔点下降的原因熔点下降的原因： 由于颗粒小，纳米微粒的表面能

12、高表面能高、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。 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。38粒子尺寸减小，粒子尺寸减小，表面或界面的原子数必表面或界面的原子数必然增多然增多，粒子的表面能级、表面张力增加，粒子的表面能级、表面张力增加，从而导致从而导致粒子表面活性增高粒子表面活性增高；表面原子输送和构型发生变化，出现了表面原子输送和构型发生变化，出现了剩余的不饱和化学

13、键，表面电子自旋构剩余的不饱和化学键，表面电子自旋构象和电子能谱发生变化，使象和电子能谱发生变化，使粒子产生较粒子产生较高催化活性高催化活性。39 表表 2-1 粒子尺寸减小，表面或界面的原子数必然增多粒子尺寸减小，表面或界面的原子数必然增多40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

14、性增高视屏视屏41 2.2.2 光学性能 (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。属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色尺寸越小，颜色愈黑愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。铬黑。42 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，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

15、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光完全消光。利用这个特性可。利用这个特性可以高效率地将以高效率地将太阳能太阳能转变为热能、电能。还可能应转变为热能、电能。还可能应用于用于红外敏感元件红外敏感元件、红外隐身技术红外隐身技术等。等。43F-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在飞机外表面涂上纳米超微粒材料料,可以有效可以有效吸收雷达波吸收雷达波,这就是隐身飞机。这就是隐身飞机。44袭杀本拉登袭杀本拉登 使用隐形变种黑鹰使用隐形变种黑鹰 这位这位退役飞行员退役飞行员表示，为了匿踪，直升机的挡风玻璃必须有特殊涂料，表示，为了匿踪，直升

16、机的挡风玻璃必须有特殊涂料，会影响飞行员的视线。尤其这次在夜间执行任务，飞行员戴着夜视镜，会影响飞行员的视线。尤其这次在夜间执行任务，飞行员戴着夜视镜，负担尤其沉重。负担尤其沉重。 45为什么士兵突击中一个鸡蛋就暴露了阵地位置呢为什么士兵突击中一个鸡蛋就暴露了阵地位置呢? 46 (2)蓝移和红移现象蓝移和红移现象 A 蓝移蓝移 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。 例如：例如： 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。 纳米Si

17、3N4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。47 由图看出，随着微粒尺寸的变小而有随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移明显的蓝移。CdS溶胶颗粒在不同尺寸溶胶颗粒在不同尺寸下的紫外吸收光谱下的紫外吸收光谱 48 纳米微粒吸收带纳米微粒吸收带“蓝移蓝移”的解释：的解释： 一、量子尺寸效应一、量子尺寸效应 由于颗粒尺寸下降颗粒尺寸下降能隙变宽能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。 Ball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 (

18、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。 49 B 红移红移 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。 例如，在2001400nm波长范围，单晶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， 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， 很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发生蓝移，

19、后3个光吸收带发生红移。50 吸收光谱的红移现象的原因 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。51 (4) 纳米微粒的发光纳米微粒的发光 光致发光光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高能级激高能级激发态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。 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 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。 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。能级跃迁能级跃迁自发辐射自发辐射E E2 2E E1 1h/EE1252 当纳米微粒的尺寸小

20、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。 1990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射可见光。 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535455 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。 Tabagi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。 Brus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

21、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。 56 掺入CdSexS1-x纳米颗粒的玻璃在530nm光激发下，当颗粒尺寸小至5nm时，会出现激子发射峰激子发射峰。 550nm吸收和发射 掺杂能级57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 nmA,B,C,D粒径减小，发生蓝移粒径减小，发生蓝移58593 . 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

22、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

23、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。603 . 特殊的特殊的磁学磁学性质性质 61 “ “横行霸道横行霸道”为什么螃蟹要横着走为什么螃蟹要横着走? 地磁场说 624 . 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百平方米。因此克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米用纳米材料制成的产品其材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性强度、柔韧度、延展性都十分优都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光越，就象一种有千万对脚的毛毛

24、虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也级台风有也吹不掉它。吹不掉它。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就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，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的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍

25、。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。63 “ “刚柔并济刚柔并济” 纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料能够能够弯曲弯曲180180度就是一个典型度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认良特性，工业界一直认为陶瓷是未来为陶瓷是未来汽车、飞汽车、飞机发动机机发动机的理想材料。的理想材料。纳米陶瓷纳米陶瓷64研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由为它是由磷酸钙磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的等纳米材料构成的。

26、呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬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。 “ “人体中的纳米材料人体中的纳米材料”655 . 特殊的特殊的电学电学性质性质 由于颗粒内的电子运动受到限制，由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量电子能量被量子化子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米。原来是导体的铜等金属，在

27、尺寸减少到几个纳米时就不导电了；时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。降，失去绝缘特性，变得能导电了。 还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。内，从而切断了电流的连续性。 这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，

28、即所谓的制的电子器件，即所谓的单电子器件单电子器件。单电子器件的。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。计算速度不知要提高多少倍。666.光催化性质 概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下发生催化作用。 光催化一般是多种相态之间的催化反应。 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。67光合作用也可以看作光催化视屏6869其中，光催化分解反应机理如下：70常见的光催化材料常见的光催化材料PhotocatalystEbg eV)PhotocatalystEbg (

29、eV)Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile）3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SrTiO33.4SnO33.5WSe31.2Fe2O32.2a a-Fe2O33.1金属硫化物在水溶液中不稳定，金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生阳极光腐蚀，且有毒！会发生阳极光腐蚀，且有毒！铁的氧化物会发生阴极光腐蚀铁的氧化物会发生阴极光腐蚀ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)271光催化技术应用领域7273光催化循环水处理系统光催化循环水处理系统74万利达车用空气净化器KJ-100 75纳米光催化空气消毒反应器纳米光催化空

30、气消毒装置加载特点：1. 高度消毒 2. 高效清除化学污染。3. 消毒材料无需更换。4. 为使用单位节约巨额能源 消耗经费。5. 进行空气消毒时，可以人机同在。不带有任何对空气造成其他再污染的物质。而且，该过程中，纳米TiO2没有任何消耗，所以，不需要对消毒材料进行更换。 76冰箱洗衣机之冰箱洗衣机之“纳米纳米”非非“纳米纳米” 纳米技术被随意解释纳米技术被随意解释宣传大玩文字游戏宣传大玩文字游戏专家质疑纳米电器专家质疑纳米电器77我眼中的纳米世界我眼中的纳米世界-李正孝李正孝 北京大北京大学教授学教授 视屏（49分钟）782.3、碳纳米管及应用现状、碳纳米管及应用现状79引 言碳元素家族成员

31、碳元素碳元素无定形碳无定形碳晶形碳晶形碳石墨石墨富勒碳富勒碳金刚石金刚石巴基球（以巴基球（以C60为代表）为代表）碳纳米管碳纳米管巴基葱（即球状多壁同心大分子）巴基葱（即球状多壁同心大分子）碳纳米管的发现1 801.1.石墨石墨/ /金刚石金刚石 石墨石墨（最软、灰色、不透明、良好导电体、固体润滑剂）（最软、灰色、不透明、良好导电体、固体润滑剂） 金刚石金刚石（最硬、刀具；透明、折射光极强、钻石）（最硬、刀具；透明、折射光极强、钻石）81石墨结构石墨结构金刚石结构金刚石结构822.2.富勒烯富勒烯C C60601985年年,英國英國化學家克羅托克羅托博士和美國美國科學家史史莫利莫利等人在氦气流

32、中以雷射汽化蒸發石墨石墨實驗中首次制得由60個碳組成的碳原子簇結構分子C60。C60C70 Kroto 研究小组研究小组获得的碳原子团获得的碳原子团簇的质谱图簇的质谱图Kroto教授教授832.2.富勒烯富勒烯C C6060蒙特娄巨蛋体育馆蒙特娄巨蛋体育馆 C60具有什么样的结构呢？具有什么样的结构呢？842.2.富勒烯富勒烯C C6060C60 C60具有什么样的结构呢？具有什么样的结构呢？ 12个五边形个五边形、20个六边形个六边形组组成了一个中空的成了一个中空的32面体面体，五五边形互不邻接，而是与五个边形互不邻接，而是与五个六边形相接，每个六边形又六边形相接，每个六边形又与与3个六边形

33、和个六边形和3个五边形间个五边形间隔相接，共有隔相接，共有60个顶角个顶角，碳，碳原子位于顶角上，是一个完原子位于顶角上，是一个完美对称的分子（图）。美对称的分子（图）。852.2.富勒烯富勒烯C C6060蒙特娄巨蛋体育馆蒙特娄巨蛋体育馆 C60具有什么样的结构呢？具有什么样的结构呢？Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯，简称Fullerene即富勒烯，或用富勒的名字称为Buckyball即巴基球。因C60酷似英式足球，所以又称为Soccerene，即足球烯。 Fullerens Fullerens headhead86 经红外光谱，紫外可见光谱，电镜扫描，粉末和晶体

34、X射线衍射分析等方法对C60和C70进行结构分析，证实了克罗托等人的推理是完全正确证实了克罗托等人的推理是完全正确的的C60是球笼状，是球笼状，C70是橄揽球笼状是橄揽球笼状（图）。（图）。 由于克罗托、科尔、斯莫利克罗托、科尔、斯莫利三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获了1996年年的诺贝尔化学奖。的诺贝尔化学奖。 87 在这些分子中，由在这些分子中，由于于C C6060在结构、性质等在结构、性质等方面的独特性能，且方面的独特性能，且化学性质最为稳定，化学性质最为稳定，故在物理、化学、材故在物理、化学、材料与生命科学等领域料与生命科学等领域越来越显示出其巨大越来越显示出其巨大的应

35、用潜力和重要的的应用潜力和重要的研究价值。研究价值。分子器件分子器件改性改性功能材料功能材料晶体薄膜晶体薄膜883.3.碳纳米管碳纳米管由单层或多层石墨片绕中心按一由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管米管单壁碳纳米管单壁碳纳米管直径为直径为1-6 nm1-6 nm多壁碳纳米管直径nm m89 19911991年，日本年，日本NECNEC公司公司的的S.lijimaS.lijima电弧蒸发石墨制备电弧蒸发石墨制备C C6060富勒烯时发现电极上还有一富勒烯时发现电极上还有一些针状产物。这些些针状产物。这些针状产物针状产物在在高分辨电子显微镜下观

36、察发现高分辨电子显微镜下观察发现是直径为是直径为4 43030纳米，长约纳米，长约1 1微微米的由米的由2 2个到个到5050个个同心管同心管构成构成的物质，相邻同心管间距为的物质，相邻同心管间距为0.340.34纳米。在这些管体的两端纳米。在这些管体的两端可能有由富勒烯形成帽子，这可能有由富勒烯形成帽子，这就是就是多壁纳米碳管多壁纳米碳管。S.Lijima教授教授C60富勒烯富勒烯多壁纳米碳管多壁纳米碳管90 发现多壁纳米发现多壁纳米管碳管两年以后，管碳管两年以后，lijimalijima和和BedhuneBedhune等几乎同时报道了等几乎同时报道了采用采用电弧放电方法电弧放电方法，在石墨

37、电极中添加在石墨电极中添加了一定的催化剂，了一定的催化剂，可以得到仅仅具有可以得到仅仅具有一层管壁的纳米碳一层管壁的纳米碳管，即管，即单壁纳米碳单壁纳米碳管管。 91纳米碳管又称纳米碳管又称巴基管巴基管，分为多壁纳米管和单壁分为多壁纳米管和单壁纳米管。多壁纳米管同纳米管。多壁纳米管同心轴心轴管间距管间距0.34nm0.34nm。大。大多数碳管的两端由五边多数碳管的两端由五边形和七边形构成半球状形和七边形构成半球状封口。封口。 纳米碳管上的碳纳米碳管上的碳原子电子结构和原子电子结构和石墨相石墨相近近，为，为SPSP2 2杂化。杂化。92NATURE, 1993NATURE, 199193 纳米碳管的管壁纳米碳管的管壁是由碳原子六边形组成是由碳原子六边形组成的。它可能存在三种类的。它可能存在三种类型的结构型的结构, ,即所谓的即所谓的扶扶手椅纳米管、锯齿型纳手椅纳米管、锯齿型纳米管米管和和手性纳米管。手性纳米管。 不同类型的纳米碳不同类型的纳米碳管型的纳米碳管的形成管型的纳米碳管的形成取决于碳原子的六角点取决于碳原子的六角点阵阵二维石墨片二维石墨片是如何是如何“卷起来卷起来”形成圆筒形形成圆筒形的。的。94碳纳米管奇特的力学性质：它的碳纳米管奇特的力学性质：它的强度比钢高强度比钢高100100倍倍，但，但是是重量