自然科学知识：分子材料和纳米材料

纳米材料课程基本情况面向全校本科学员开设的、自然科学与工程技术系列本科公共选修课；关于纳米材料的入门课程。

纳米材料是当今材料科学的研究前沿和热点，内涵丰富，应用潜力大，知识更新速度快，有必要进行系统讲授。

通过学习纳米材料相关知识，可了解其在武器装备中的应用前景，拓展知识面，激发对科技前沿领域的兴趣，培养创新意识。

参考教材刘漫红, 等. 纳米材料及其制备技术. 北京: 冶金工业出版社,2014.08；林志东. 纳米材料基础与应用. 北京: 北京大学出版社,2010.08；张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社,2001.02.第1章纳米材料概述要求：掌握纳米尺度、纳米材料的概念与内涵，熟悉常见纳米材料及其应用前景，了解纳米科技发展。

1.1 纳米尺度概念（1）1纳米是多少纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm，1 nm=10-9 m=10 Å；换一种方式：1 m=103 mm=106μm=109 nm。

头发直径：50-100 m，1 nm相当于头发的1/50000-1/100000。

氢原子的直径为1 Å，1 nm等于10个氢原子排起来的长度。

（2）人类对世界和物质的认识层次宇观(Cosmoscopic) ：星系等天体系统，距地球最远星系约220 亿光年；可直接观测但不能以物质手段加以影响和变革的时空区域。

包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。

宇观世界的运动需用广义相对论、宇宙电动力学和星系力学描述。

宏观(Macroscopic)：人类肉眼所涉及的空间范围；介观(Mesoscopic)：包括从微米、亚微米到纳米尺寸的范围；微观(Microscopic)：以原子为最大起点，下限是无限的领域。

（3）纳米尺度纳米尺度正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，称为介观世界。

纳米材料专业纳米材料是指至少在一个空间尺度上具有至少一种尺寸小于100纳米的材料。

由于其特殊的尺寸效应和表面效应，纳米材料在材料科学、物理学、化学、生物学等领域都有着广泛的应用前景。

本文将从纳米材料的特性、制备方法、应用领域等方面进行介绍。

首先，纳米材料具有许多特殊的物理化学性质。

由于其尺寸效应和表面效应，纳米材料的光学、电子、磁学、力学等性质都表现出与宏观材料不同的特性。

例如，纳米金属颗粒的等离子共振效应使得其具有优异的光学性能，纳米碳材料的量子效应使得其具有优异的电子传输性能。

这些特殊性质使得纳米材料在传感器、催化剂、电子器件等领域有着广泛的应用。

其次，纳米材料的制备方法多种多样。

目前，常见的纳米材料制备方法包括物理方法、化学方法、生物方法等。

物理方法主要包括惰性气体凝聚法、溅射法、机械合金化等；化学方法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等；生物方法主要包括生物合成法、生物模板法等。

不同的制备方法可以得到不同形貌和结构的纳米材料，从而满足不同领域的需求。

此外，纳米材料在许多领域都有着广泛的应用。

在材料科学领域，纳米材料被用于制备高性能复合材料、高强度纳米结构材料等；在能源领域，纳米材料被用于制备高效的太阳能电池、储能材料等；在生物医学领域，纳米材料被用于制备药物载体、生物成像材料等。

纳米材料的应用领域还在不断扩展，其在材料、能源、生物医学等领域的应用前景十分广阔。

总之，纳米材料作为一种新型材料，在材料科学、物理学、化学、生物学等领域都有着广泛的应用前景。

通过深入研究其特性、制备方法和应用领域，可以更好地发挥纳米材料的优异性能，推动其在各个领域的应用和发展。

希望本文的介绍可以对纳米材料专业的研究者和从业者有所帮助。

什么是纳米材料纳米材料是指至少在一个空间方向上尺寸小于100纳米的材料。

纳米材料因其独特的尺寸效应、量子效应和表面效应，在光电、磁学、力学、热学等方面表现出与宏观材料不同的物理、化学和生物学特性，因此受到了广泛的关注和研究。

纳米材料是一种全新的材料体系，其独特的物理、化学和生物特性为其在传感器、催化、生物医学、纳米电子器件、纳米能源材料等领域的应用提供了广阔的前景。

纳米材料的种类繁多，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米片、纳米球等。

其中，纳米颗粒是一种最常见的纳米材料，其尺寸在1-100纳米之间。

纳米颗粒可以是金属、半导体、氧化物、磁性材料等，具有较大的比表面积和独特的光学、电子、磁学等性质，因此在催化剂、生物医学、纳米传感器等领域有着广泛的应用。

纳米材料的制备方法多种多样，主要包括物理法、化学法和生物法。

物理法制备纳米材料的方法包括惰性气体凝聚法、溅射法、机械合金法等，化学法包括溶胶-凝胶法、沉淀法、水热法等，生物法利用生物体系合成纳米材料，如植物、微生物等。

这些方法各有特点，可以根据不同的需求选择合适的方法来制备纳米材料。

纳米材料的应用领域非常广泛，其中最具代表性的包括纳米传感器、纳米催化剂、纳米生物医学材料和纳米电子器件。

纳米传感器利用纳米材料的高灵敏度和特异性，可以检测微量的化学物质、生物分子甚至单个分子，具有重要的应用价值。

纳米催化剂利用纳米材料的高比表面积和活性位点，可以提高催化反应的效率和选择性，广泛应用于化工、环保、能源等领域。

纳米生物医学材料可以用于药物传输、肿瘤治疗、组织工程等方面，具有巨大的应用潜力。

纳米电子器件利用纳米材料的量子效应和电子输运性质，可以制备出高性能的纳米电子器件，为电子工业带来了革命性的变革。

总的来说，纳米材料具有独特的物理、化学和生物特性，其在传感器、催化、生物医学、电子器件等领域的应用前景广阔。

随着纳米材料制备技术的不断发展和完善，相信纳米材料将会在更多领域展现出其独特的价值，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。

纳米材料的介绍一、纳米材料概述纳米材料是指纳米级尺寸的材料，具有良好的化学、光学等性能。

纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。

根据物理形态的不同，纳米材料可划分为五类：纳米薄膜、纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米相分离液体。

纳米材料的性能一般由量子力学决定，其光、电、磁、热性能与普通材料存在明显的差异。

相较于传统材料制品，纳米材料制品在光学、热学、力学、化学等性能方面具有明显优势。

从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1-100纳米范围内的一种固体材料。

主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。

因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。

这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。

目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。

二、纳米材料定义纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。

由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。

因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。

纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入地认识。

三、纳米材料的性质1、"强" 在电子，医保，环保，能源等领域具有更多的优势。

2、"高" 适用纳米材料制作的器材，拥有更高的耐热，导电，高磁导性，可塑性。

3、"轻" 纳米材料更加轻更加便利，体积变小的同时还可以提高效率。

第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是研究在千万分之一米10–7到十亿分之一米10–9米内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,又称为纳米技术;2、纳米材料的定义把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料;即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料; “功能”概念,即“量子尺寸效应”;3、纳米材料五个类维度0维材料,1维材料,2维材料,体相纳米材料,纳米孔材料4、0、1、2维材料定义、例子0维材料—尺寸为纳米级100 nm以下的颗粒状物质;富勒烯、胶体微粒、半导体量子点1维材料—线径为1—100 nm的纤维管;纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝2维材料—厚度为1 —100 nm的薄膜;薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜5、纳米材料与传统材料的主要差别尺寸：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;性能：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;6、金属纳米粒子随粒径的减小,能级间隔增大7、与块体材料相比,半导体纳米团簇的带隙展宽,展宽量与颗粒尺寸成反比8、纳米材料的四大基本效应尺寸效应,介电限域效应,表界面效应,量子效应9、什么是量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道HOMO和最低未被占据分子轨道能级LUMO,能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应;10、什么是小尺寸效应当超细颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应;11、什么是表界面效应纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例;由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的化学活性,催化活性,吸附活性;表面效应是指纳米粒子表界面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化;12、什么是宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应;近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应;13、什么是库仑堵塞效应当体系的尺度进入到纳米级一般金属粒子为几个纳米,半导体粒子为几十纳米,体系电荷是“量子化”的,即充电和放电过程是不连续的,充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C,e 为一个电子的电荷,C为小体系的电容,体系越小,C越小,能量Ec越大;我们把这个能量称为库仑堵塞能;换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能,这就导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一个单电子的传输;通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应;14、纳米微粒熔点降低的原因与常规粉体材料相比,由于纳米微粒的颗粒小,其表面能高、比表面原子数多;这些表面原子近邻配位不全,活性大,以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多,这就使得纳米微粒的熔点急剧下降;15、烧结温度比常规粉体显著降低的原因所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形,然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块,密度接近常规材料的最低加热温度;纳米粒子尺寸小,表面能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面附近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没;因此,在较低温度下烧结就能达到致密化目的,即烧结温度降低;16、什么是宽频带强吸收大块金属具有不同颜色的金属光泽,表明它们对可见光范围各种颜色波长的光的反射和吸收能力不同;而当尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米微粒几乎都呈黑色;它们对可见光的反射率极低,而吸收率相当高;例如,Pt纳米粒子的反射率为1％,Au纳米粒子的反射率小于10％;这种对可见光低反射率,强吸收率导致粒子变黑;17、纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因1 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布,不同颗粒的表面张力有差异,引起晶格畸变程度也不同;这就导致纳米材料键长有一个分布,造成带隙的分布,这是引起红外吸收宽化的原因之一;2 界面效应：界面原子的比例非常高,导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多;界面原子除与体相原子能级不同外,互相之间也可能不同,从而导致能级分布的展宽;与常规大块材料不同,没有一个单一的、择优的键振动模,而存在一个较宽的键振动模的分布,在红外光作用下对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布;18、什么是纳米材料吸收光谱的蓝移与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象,即吸收带移向短波长方向;19、纳米材料吸收光谱蓝移的原因1 量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽,从而导致光吸收带移向短波方向;Ball 等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级HOMO与未被电子占据的分子轨道能级LUMO之间的宽度能隙随颗粒直径的减小而增大,从而导致蓝移现象;这种解释对半导体和绝缘体均适用;2 表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小;对纳米氧化物和氮化物的研究表明,第一近邻和第二近邻的距离变短,键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大,结果使红外吸收带移向高波数;20、什么是纳米材料吸收光谱的红移现象在一些情况下,当粒径减小至纳米级时,可以观察到光吸收带相对粗晶材料的“红移”现象,即吸收带移向长波长;21、金属纳米颗粒材料电阻增大原因纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大,当尺寸非常小时,这种贡献对总电阻占支配地位,导致总电阻趋向于饱和值,随温度的变化趋缓;当粒径低于临界尺寸时,量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视,最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大,即温度系数变负;22、纳米材料的超顺磁性及原因铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时,进入超顺磁状态;其原因是：在小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上,易磁化方向做无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现;此时磁化率不再服从居里－外斯定律;23、纳米材料的高矫顽力及原因纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时,通常呈现高的矫顽力;起源有两种模型：1 一致转动模型；2 球链反转磁化模型;前者的解释是：当粒子尺寸小到某一尺寸时,每个粒子就是一个单磁畴;例如Fe的单磁畴临界尺寸为12nm,Fe3O4 为40nm;每个单磁畴的纳米粒子实际上成为一个永久磁铁,要使该磁铁去磁,必须使每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场,因此具有较高的矫顽力;该模型预测值通常偏高;球链模型认为,由于净磁作用球形纳米Ni粒子形成链状,以此作为理论推导的前提;24、“摔不碎的陶瓷碗”的原因"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;25、纳米材料较高的化学活性和催化活性的原因由于纳米材料的比表面积很大,界面原子数很多,界面区域原子扩散系数高,而表面原子配位不饱和性将导致大量的悬键和不饱和键等,这些都使得纳米材料具有较高的化学活性,许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧;将纳米Er和纳米Cu 粒子在室温下进行压结就能够发生反应形成CuEr金属间化合物,而很多催化剂的催化效率随颗粒尺寸减小到纳米量级而显著提高,同时催化选择性也增强;第二章1、什么是光催化纳米半导体材料在光的照射下,通过把光能转化为化学能,促进化合物的合成或使化合物有机物、无机物降解的过程称为光催化;2、光照射纳米TiO2的反应可用反应式表示3、光生空穴在光催化剂表面发生的氧化还原反应：4、光生电子在光催化剂表面发生的氧化还原反应：5、纳米TiO2半导体粒子产生光催化作用而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性的原因与体相材料不同,纳米半导体材料可以利用太阳能进行光催化反应,例如：粒径为10nm 的TiO2半导体粒子,对于光催化有机物显示出高效率的量子效率,而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性1纳米半导体粒子的量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立能级,能隙变宽;纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力,从而产生了光催化性能;2计算表明,在粒径为1m的TiO2粒子中,电子从体内扩散到表面的时间约为100ns；而在粒径为10nm的微粒中扩散时间仅为10ps,粒径越小,电子与空穴的复合几率越小,电荷分离效果越好,光催化活性提高;6、纳米TiO2光触媒作用的应用有哪些纳米TiO2光触媒灭蚊器纳米二氧化钛具有催化性质,它可以降解汽车尾气7、纳米TiO2光催化降解氧化有机物的产物是什么降解为小分子,直至变成CO2和H2O8、提高TiO2光催化效率的途径纳米TiO2光催化剂被光辐射激发产生的电子－空穴对虽然具有很高的氧化能力,但在实际应用中存在一些缺陷：光生载流子h+,e-很易重新复合,例如在TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9s的时间内完成,影响了光催化的效率;因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生电子-空穴的分离效率,抑制电子空穴的重新结合;目前光催化剂的改性研究主要针对TiO2进行金属离子掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化、表面超强酸化等;9、纳米TiO2中掺杂过渡金属离子提高光催化活性的原因当在半导体中掺杂不同价态的过渡金属离子后,半导体的光催化性质被改变;从化学观点看,金属离子是电子的有效接受体,可捕获导带中的电子;由于金属离子对电子的争夺,减少了TiO2表面光生电子与空穴的复合,从而使TiO2表面产生了更多的·OH和O2-,提高了催化剂的光催化活性;10、在纳米TiO2光催化剂的表面沉积贵金属的两个作用是什么有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应质子的还原、溶解氧的还原的超电压;贵金属修饰TiO2通过改变体系中的电子分布,影响TiO2的表面性质,进而改善其光催化活性;11、详述CdS-TiO2复合体系提高光催化效率的过程可以加图示形式CdS的带隙能为, TiO2的带隙能为;当以足够的能量辐射时,CdS和TiO2同时发生电子激发,由于两者导带与价带的差异,光生电子将聚集在TiO2的导带上,而空穴则聚集在CdS的价带上,使得光生载流子得到有效的分离,提高了光催化性能;当激发能不足以激发光催化剂中的TiO2时,却能激发CdS,由于TiO2导带比CdS导带电位高,使得CdS上受激产生的电子更易迁移到TiO2的导带上,激发产生的空穴仍留在CdS的价带,这种电子从CdS向TiO2的迁移有利于电荷的分离,从而提高光催化的效率;分离的电子及空穴可以自由地与表面吸附质进行交换;12、列举气相法制备纳米TiO2粉体的五种方法,并写出反应式TiCl4气相氢火焰水解法TiCl4g＋2H2g ＋O2→TiO2s＋4HClgTiCl4气相氧化法TiCl4 g +O2 g →TiO2 s + Cl2 g钛醇盐气相分解法nTiOC4H9R4 g →nTiO2 s + 2nH2O g + 4nC4H8 g钛醇盐气相水解法TiOR4 g + 4H2O g →TiOH4 s +4ROH gTiOH4 s →TiO2 ·H2O s + H2O g TiO2 ·H2O s →TiO2 s + H2O g物理气相法13、列举液相法制备纳米TiO2粉体的五种方法水解法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热反应法、模板法14、叙述水解法制备纳米TiO2粉体的过程将TiCl4和钛醇盐溶液在一定条件下水解生成氢氧化物或水合氧化物沉淀,经加热分解后可得到TiO2纳米粒子;利用这种方法合成的纳米粉体,颗粒分布均匀,性能优异,纯度高,形状易控制;15、叙述溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体的过程以钛醇盐为原料,无水乙醇为有机溶剂,制得均匀溶胶,加入一定量的酸,起抑制水解的作用,再浓缩成透明凝胶,经干燥热处理即可得TiO2纳米粒子16、叙述溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜的过程般选取钛的有机盐如钛酯或无机盐如TiCl4作为原料,将其溶于低碳醇中,然后在室温下加入到中强酸度的水溶液中,搅拌下水解制备TiO2溶胶,然后采用浸渍－提拉或旋涂法在基体上制备TiO2薄膜;它具有制备温度低,工艺简单,不需要昂贵的设备,可制备多组分混合均匀的薄膜,并且得到的薄膜颗粒度均匀,纯度高;17、分析溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体和薄膜的区别18、列举制备纳米TiO2薄膜的五种方法溶胶－凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法、液相沉积法、电沉积法19、纳米TiO2制备技术要点和难点国际上纳米TiO2的价格为30～40万元/t,其成本大致是销售价格的2/5,原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；金红石型纳米TiO2的表面处理技术；纳米TiO2应用分散技术；纳米TiO2应用功能的提升技术：纳米TiO2产业化成套技术;第3章碳材料1、C60的结构C60属于碳簇Carbon Cluster分子, •由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体,直径,其60个顶角各有一个碳原子; •C60分子中碳原子与相邻的3个碳原子形成两个单键和一个双键;五边形的边为单键,键长为,而六边形所共有的边为双键,健长为;整个球状分子就是一个三维的大π键, 其反应活性相当高;C60分子对称性很高;每个顶点存在5次对称轴;2、C60的其它名字富勒烯,巴基球,C60 , 足球烯3、C60整个球状分子就是一个三维的大π键,其反应活性相当高4、C60的制备1、激光蒸发石墨法–1985年Kroto等发现C60就是采用激光轰击石墨表面,使石墨气化成碳原子碎片,在氦气中碳原子碎片在冷却过程中形成含富勒烯的混合物; 该方法产生的富勒烯含量极少; •2．苯燃烧法–1991年Howard等在含Ar的氧气中燃烧苯,燃烧1kg苯得到3gC60和C70混合物,富勒烯产率随燃烧条件不同而有所变化;3．电弧放电法–电弧是一种气体放电现象;通过两石墨电极之间的放电,可产生高于4000℃的高温,使阳极石墨蒸发,而阴极温度低于石墨蒸发温度;在充有氦气压力约为的放电室内,被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时,形成含有富勒烯的烟灰;5、C60和C70的溶解性芳香族类溶剂,例如苯、甲苯或者氯化芳香剂等能溶解少量的富勒烯;CS2也能溶解但不常用,因为剧毒p-p键相互作用有助于富勒烯的溶解富勒烯不溶于水富勒烯呈电负性,因此它在能提供配对电子的溶液中溶解性很好6、富勒烯是化学缺电还是富电性质化学缺电7、如何才能证明金属是内嵌,而不是在笼子的表面呢–气态下用C2单元撞击“内嵌”分子,看金属原子是否会离开表面形成单一的巴基球–用STM或者TEM直接观察–用同步辐射X射线散射法;该法不仅能够观察金属原子是在笼内还是笼外,还能观察金属原子在笼内的具体位置及价态; 实验证明金属原子不处于中心位置8、辨别富勒烯的化学反应主要由氢化反应、卤化反应、亲和加成反应、环加成反应、光化学反应和射线化学反应9、CNT分类,按照石墨烯片的层数,单壁碳纳米管Single-walled nanotubes, SWNT s：由一层石墨烯片组成;单壁管典型的直径和长度分别为～3nm和1～50μm;又称富勒管Fullerenes tubes;2 多壁碳纳米管Multi-walled nanotubes, MWNT s：含有多层石墨烯片;形状象个同轴电缆; 其层数从2～50不等,层间距为±, 与石墨层间距相当;多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和～50μm;10、碳纳米管的制备–电弧放电法–激光蒸发法–CVD法–高温分解C-H化合物法–电弧放电法11、分离CNT,常见的分离办法有1. 按长度分离;CNT的长度不一样,其密度也会不一样; 采用离心法可以分离不同长度的的CNT–按直径分离;采用某些方法,如光照法,可以将CNT 的直径分布限制在某个特定范围内1. 某些硝基盐,如NO2BF4 或者NO2SbF6,它只溶解金属性CNT;所以利用溶液法也可以分离但该办法只适合于直径小于的CNT2. 2003年,双向电泳法出现,它是一种能捕捉到80% 以上金属性CNT的方法12、CNT的化学性质辨别反应类型–CNT的基本反应–氧化还原反应–封闭式或者开放式CNT的官能化–侧壁的官能化–CNT与其他材料的合成–化合物的植入与内壁功能化–CNT的超分子化学13、CNT的应用前景用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧纳米管做成的“纳米秤”碳纳米管制造人造卫星的拖绳碳纳米管整流器场效应晶体管CNT的场发射碳纳米管电视碳纳米管cpu散热器超级电容器碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊愈CNT传感器-物理传感器CNT传感器-化学传感器DNA序列的识别•传输药物或者疫苗,基因手术混合催化储氢材料14、石墨烯结构石墨烯即为“单层石墨片”,是构成石墨的基本结构单元; 石墨烯是二维的,它具有包括六角元胞,如果有五角元胞和七角元胞则构成石墨烯的缺陷;少量的五角元胞会使石墨烯翘曲; — 12个五角元胞会形成富勒烯;碳纳米管被认为是卷成圆筒的石墨烯;碳纳米管是碳的一维晶体结构;石墨烯是构成其他维数碳质材料的基本单元;15、石墨烯特性最薄最轻载流子迁移率最高电阻率最低强度最大最坚硬导热率最高16、石墨烯制备1. 选取一块HOPGHighly Oriented Pyrolytic Graphite,高定向裂解石墨或者普通的石墨薄片2. 用Scotch tape普通的透明胶粘在样品上然后撕开3. 对于石墨薄片,用另外一个透明胶带多粘几次,即可得到石墨烯4. 注意,HOPG得到的一般是单原子层,而石墨片容易获得多原子层17、石墨烯的表面功能化步骤–首先与酸或者碱发生反应,使得表面接上COOH 或者OH–接着与SOCl2 反应形成COCl族–然后与脂族胺反应以接上长链18、功能化后的石墨烯可溶于水或者其他有机溶液19、石墨烯的应用复合材料：高力学性能高电学性能电子器件：室温霍尔效应无损迪拉克费米子极高电子迁移率高透光率储能材料：高表面积高电导率。

纳米材料课程基本情况面向全校本科学员开设的、自然科学与工程技术系列本科公共选修课；关于纳米材料的入门课程。

纳米材料是当今材料科学的研究前沿和热点，内涵丰富，应用潜力大，知识更新速度快，有必要进行系统讲授。

通过学习纳米材料相关知识，可了解其在武器装备中的应用前景，拓展知识面，激发对科技前沿领域的兴趣，培养创新意识。

参考教材刘漫红, 等. 纳米材料及其制备技术. 北京: 冶金工业出版社,2014.08；林志东. 纳米材料基础与应用. 北京: 北京大学出版社,2010.08；张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社,2001.02.第1章纳米材料概述要求：掌握纳米尺度、纳米材料的概念与内涵，熟悉常见纳米材料及其应用前景，了解纳米科技发展。

1.1 纳米尺度概念（1）1纳米是多少纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm，1 nm=10-9 m=10 Å；换一种方式：1 m=103 mm=106μm=109 nm。

头发直径：50-100 m，1 nm相当于头发的1/50000-1/100000。

氢原子的直径为1 Å，1 nm等于10个氢原子排起来的长度。

（2）人类对世界和物质的认识层次宇观(Cosmoscopic) ：星系等天体系统，距地球最远星系约220 亿光年；可直接观测但不能以物质手段加以影响和变革的时空区域。

包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。

宇观世界的运动需用广义相对论、宇宙电动力学和星系力学描述。

宏观(Macroscopic)：人类肉眼所涉及的空间范围；介观(Mesoscopic)：包括从微米、亚微米到纳米尺寸的范围；微观(Microscopic)：以原子为最大起点，下限是无限的领域。

（3）纳米尺度纳米尺度正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，称为介观世界。

自然科学知识：材料和结构的仿生设计在自然界，生命体在数亿年的演化过程中不断适应着环境，并继承和发展适应的性状。

因此，仿生设计就是学习并运用生物学、物理学和数学等多学科知识，模仿和借鉴自然界中生物的形态、结构、功能、行为等，进行科学的创新设计和工程开发。

仿生设计可以应用于多个领域，特别是材料和结构的仿生设计对于人类的生活和发展有着重要的意义。

1.材料的仿生设计在自然界中，生物体所使用的材料具有适应环境的特性，如鸟类的羽毛具有轻盈、坚韧、具有导向性等特点。

因此，研究这些材料的特点并对其进行仿生设计是进行创新设计的一个关键方向。

例如，利用海胆的刺进行水下探测器的研制，利用蜗牛壳的结构进行材料设计，也可以进行在各种材料上进行多模仿，使得工程材料在性质和应用上达到最优状态。

自然材料的仿生设计中，最具有代表性的是仿生纳米纤维。

仿生纳米纤维是一种高频率纳米纤维，能够在特定的条件下，通过比例选择性或轮廓选择性合成纳米颗粒或生物大分子，这就打破了传统化学方法的约束，生成了一种高度膜分子精度、结构可控的纳米材料。

同时，仿生纳米纤维的表面化学性能可以被精确地改变，这种材料的研发成功将为制备高质量纳米制品提供新的思路。

2.结构的仿生设计自然的生物体结构是多样化的，但每一种生物无不具有卓越的优良性能，在结构设计及实体材料上取得经验，从而产生了众多适用于众多领域的仿生结构设计，同时可帮助实现能耗低、高效、可持续的设计标准。

例如，蜘蛛的丝绸在强度、韧性和柔韧性等方面表现出色，研究结果表明，这些性质与蜘蛛丝线中的蛋白结构和丝线内部微结构有关。

借鉴这些特点，可以制造出用于特定任务的强度和韧性优异的人工纤维。

再如，鸟类的骨架结构可以让其同时具备高度的强度和轻盈的特点。

这启示人们在建筑领域中设计出结构性耐力更好和减少材料使用的结构。

在建筑领域中，仿生学的应用将是开创性的，它可以使人们更好地理解关于生命科学和物理学的知识，同时也将有助于建筑业在材料方面的创新以满足可持续发展的需求。

分子科学与工程专业考研方向引言分子科学与工程是一门综合性科学与工程学科，其研究内容涉及分子结构、性质及其在各个领域中的应用。

考研方向主要是培养具备分子科学和工程原理以及实践能力的高级专门人才。

本文将介绍分子科学与工程专业考研方向的相关内容。

1. 考研方向概述分子科学与工程专业考研方向主要涵盖以下几个方面：•分子结构与性质研究•分子模拟与计算化学•分子材料与纳米科学•分子传感与生物医学2. 分子结构与性质研究分子结构与性质研究是分子科学与工程专业考研方向的重要组成部分。

该方向主要研究分子的形态结构和能量等性质，以及分子间的相互作用。

通过实验和理论手段，研究人员能够揭示分子的结构、动力学行为等重要信息，为分子科学和工程的发展提供重要支持。

3. 分子模拟与计算化学分子模拟与计算化学是分子科学与工程专业考研方向的另一个重要研究领域。

该方向通过计算机模拟和数值计算方法，对分子和材料的结构和性质进行研究。

通过模拟和计算，研究人员可以预测分子和材料的性质，加速新材料的设计和开发过程，为工业生产和科学研究提供理论指导。

4. 分子材料与纳米科学分子材料与纳米科学是分子科学与工程专业考研方向中的重要分支。

该方向研究分子材料的制备、性质和应用，以及纳米材料的自组装和功能化等方面。

研究人员通过合成和控制分子、超分子和纳米材料的结构，实现对材料性能的调控，为材料科学与工程领域的发展做出重要贡献。

5. 分子传感与生物医学分子传感与生物医学是分子科学与工程专业考研方向中的一个重要研究方向。

该方向主要研究分子传感技术和分子诊疗技术，以及其在生命科学和医学领域中的应用。

研究人员通过开发新型分子传感材料和技术，提高生物分析和医学诊疗的精确性和效率，为生物医学领域的发展做出贡献。

结论分子科学与工程专业考研方向是一门综合性科学与工程学科，涵盖了分子结构与性质研究、分子模拟与计算化学、分子材料与纳米科学以及分子传感与生物医学等多个方面。

2023年材料科学与工程专业介绍材料科学与工程是一门跨学科的综合性科学，它涉及物理学、化学、生物学、机械工程、计算机科学等多个领域。

它主要研究各种材料的合成、结构、性能、加工与应用等方面，为各种产品的制造提供理论与技术基础。

此外，材料科学与工程还涵盖了经济、环境、能源、国防等多个领域，因此，可谓“万物之源”。

在材料科学与工程专业中，学生首先需要具备扎实的自然科学基础知识。

在此基础上，学生将学习各种材料的物理和化学特性，以及相关的材料性能测试和分析方法。

学生还会学习如何使用计算机模拟技术进行材料设计和模拟，以及如何利用各种现代材料制备和表征技术研究新型材料。

材料科学与工程专业主要包括以下几个方向：1. 金属材料学：研究各种金属材料的制备、加工、应用和性能等方面。

此外，还会涉及到材料的金相学、热处理、腐蚀与防护等问题。

2. 非金属材料学：研究各种非金属材料的制备、形态及其结构，以及它们的物理、化学和机械性能，如陶瓷、玻璃、高分子材料等。

3. 功能材料学：研究一些具有特殊功能的材料，如电子材料、光学材料、磁性材料、超导材料等。

这种材料应用于各种新型器件和设备中，如半导体器件、光学器件、电磁波器件、超导器件等。

4. 材料表面与界面科学：研究材料表面与界面的特性及其对材料整体性能的影响，包括电化学反应、生物体与材料的相互作用等。

5. 生物材料科学：研究生物材料的制备、性能及其应用，为医疗设备和生物医学工程等生物领域提供新材料。

6. 纳米材料科学：研究材料尺寸在纳米级别的性质和现象，包括纳米器件和材料的制备、表征和应用等。

材料科学与工程专业既注重理论研究，也强调实践能力。

学生们需要在实验室里学习各种材料制备和分析方法，并进行大量的实验研究。

此外，学生们还需要学习各种材料加工方法和机械加工、成型等基础知识。

在实践中，学生们还需要掌握材料性能测试和分析方法，以便准确地评估材料的性能和质量。

就业前景方面，材料科学与工程是一个前景广阔的专业。

纳米材料是指什么材料
纳米材料是一种在纳米尺度下具有特殊性能和特征的材料。

纳米材料的尺寸在
纳米尺度范围内，通常为1-100纳米。

这些材料可以是纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米管等形态，具有独特的物理、化学和生物学特性。

纳米材料的研究和应用已经成为当前材料科学和工程领域的热点之一。

首先，纳米材料具有特殊的物理性质。

由于其尺寸处于纳米尺度，纳米材料的
比表面积非常大，使得其表面活性显著增强。

另外，量子效应的显著增强也是纳米材料的特点之一。

这些特殊的物理性质使得纳米材料在光学、磁学、电学等方面表现出与传统材料截然不同的性质，因此在光电子器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用前景。

其次，纳米材料还具有独特的化学性质。

由于纳米材料的尺寸接近分子尺度，
因此其表面原子或分子的活性非常高。

这使得纳米材料在催化、吸附、分离等化学过程中表现出非常优越的性能。

例如，纳米金属催化剂因其高比表面积和丰富的表面活性位点，被广泛应用于化学合成、环境治理等领域。

另外，纳米材料还具有独特的生物学特性。

由于纳米材料的尺寸与生物分子相近，因此纳米材料在生物医学领域具有广泛的应用前景。

例如，纳米药物载体可以通过调控尺寸和表面性质，实现药物的靶向输送和缓释释放，从而提高药物的疗效和减少毒副作用。

总的来说，纳米材料是一类具有特殊性能和特征的材料，具有广泛的应用前景。

随着纳米材料研究的不断深入，相信纳米材料将会在材料科学、生物医学、能源环境等领域发挥越来越重要的作用。

希望本文对纳米材料有所帮助，欢迎大家批评指正。

纳米材料原理
纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。

纳米
材料具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在材料科学、物理学、化学、生物学等领域具有广泛的应用前景。

纳米材料的研究和应用已经成为当今科学研究的热点之一。

首先，纳米材料的特殊性质源于其尺寸效应。

当材料的尺寸减小到纳米尺度时，其表面积和界面效应将显著增强，从而导致材料的物理、化学和生物学性质发生显著变化。

例如，纳米材料的光学、电子、磁学、力学等性质将与宏观材料有所不同，这为纳米材料的应用提供了新的可能性。

其次，纳米材料的制备和表征技术是纳米科学研究的关键。

纳米材料的制备技
术包括物理方法、化学方法、生物方法等多种途径，如溅射法、溶胶-凝胶法、化
学气相沉积法、生物合成法等。

而纳米材料的表征技术包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射等多种手段，这些技术的发展为纳米材料的研究和应用提供了重要的支持。

另外，纳米材料的应用领域包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米生物学、纳
米医学、纳米能源等多个领域。

例如，纳米材料可以应用于柔性电子器件、光催化剂、生物传感器、药物载体、锂离子电池等方面，展现出广阔的应用前景。

同时，纳米材料也面临着诸如生物安全性、环境友好性、大规模制备等挑战，这些问题需要进一步的研究和解决。

总的来说，纳米材料是一种具有特殊性质和广泛应用前景的材料，其研究和应
用已经成为当今科学研究的热点之一。

随着纳米科学技术的不断发展，纳米材料必将在材料科学、物理学、化学、生物学等领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出重要贡献。

科学与技术材料名词解释汇总
以下是一些科学与技术材料方面的名词解释：
1. 材料：用于制造有用物体的物质。

2. 复合材料：由两种或多种材料组成的是一种材料。

3. 合金：由两种或更多的金属通过熔合形成的具有金属特性的物质。

4. 陶瓷材料：由粘土、石英、长石等天然矿物原料按一定比例配合，经过制备成坏料，成型，并经高温烧制而成的无机非金属材料。

5. 高分子材料：是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，例如塑料、纤维和橡胶。

6. 纳米材料：纳米材料是一种新型材料，其基本单元在纳米尺度（1-100纳米）范围内。

7. 生物材料：用于替换、修复或增强人体部分功能的材料，例如人造关节、牙齿和骨头。

8. 3D打印：一种通过逐层添加材料来制造物体的技术。

9. 表面工程：通过改变材料的表面的性质来提高其耐腐蚀性、耐磨性和其他物理化学性质的技术。

10. 增材制造：一种通过逐层添加材料来制造物体的技术，也称为3D 打印。

以上是一些常见的科学与技术材料方面的名词解释，如需更多信息，可以查阅科技类书籍或咨询相关领域的专家。

什么是纳米技术纳米技术的内容纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

那么你对纳米技术了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是纳米技术的内容，希望大家喜欢! 纳米技术的简介纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等纳米技术的理论含义纳米技术(nanotechnology)，也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。

1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。

因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。

根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。

这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。

也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。

这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。

现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。

此外，还有发热和晃动等问题。

为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。

本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。