纳米材料的分类及基本结构效应

纳米材料的结构特征一、概论纳米材料是新型结构材料的一种，主要是指材料的基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100 nm)，并由此具有某些新特性的材料。

纳米材料相对于其他材料而言有五大物理效应即：体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，这五大效应成就了纳米材料的诸多优势，这里就不一一介绍了。

纳米材料相对于其他材料的优势正是因为其结构的特点，下面讲述纳米材料的结构特征。

二、自然界中存在的纳米材料早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，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，所以才那样坚硬；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，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。

在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌…应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。

它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。

三、纳米材料的概论1、纳米材料：纳米材料是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。

2、纳米科技：纳米科技(纳米科学技术)是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这种特性开发新产品的一门科学技术。

3、纳米结构单元：构成纳米材料的结构单元包括限定的团簇或人造原子团簇、纳米微粒、纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆、纳米单层膜及多层膜等。

（1）原子团簇指几个至几百个原子的聚集体，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整数）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。

《纳米材料导论》作业1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。

它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。

纳米材料通常按照维度进行分类。

原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。

纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。

按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。

2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。

答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。

出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。

例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。

二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。

例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。

三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。

引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。

四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。

绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。

Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。

2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。

（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。

4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。

分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。

5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。

可用于研究半导体、导体和绝缘体。

AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。

6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。

纳米材料的四个基本效应转载▼纳米材料由纳米离子组成，纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，是一种典型人界观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。

1、表面效应粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。

表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

2、量子尺寸效应指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。

这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3、体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。

如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。

4、宏观量子隧道效应宏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以及电荷等亦具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT （Macroscopic Quantum Tunneling）。

这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些反常现象，如金属为导体，但纳米金属微粒在低。

经过之前一段时间对纳米材料与纳米技术的介绍，相信大家对纳米技术以及纳米材料有了一定的了解。

那么今天就让我们回顾一下纳米材料的具体细节吧。

纳米材料的分类方法很多，按其结构可分为：晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。

按化学组成可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、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、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。

按材料用途可分为纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等。

▲图片源于网络，仅供参考上纳米材料具有特殊的结构，由于组成纳米材料的超微粒尺度属纳米量级，这一量级大大接近于材料的基本结构一一分子甚至于原子，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的50%左右，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。

不论这种超微颗粒由晶态或非晶态物质组成，其界面原子的结构都既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的类似气体固体结构，因此，一些研究人员又把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。

1）小尺寸效应、当超细微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，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。

小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变，普通金属金的熔点是1337K,当金的颗粒尺寸减小到2nm时，金微粒的熔点降到600K；纳米银的熔点可降低到IOOC。

由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。

光吸收显着增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等，例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。

纳米材料的种类和性质摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、种类和性质。

关键词：纳米材料；概念；性质；种类正文：1纳米材料概念：从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。

因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。

由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。

并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。

纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

2纳米材料种类：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。

其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

2.1纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。

可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。

纳米材料的四个基本效应纳米材料，听起来是不是有点高大上？这些小家伙可真是科技界的“隐形冠军”。

你知道吗，纳米的意思就是十亿分之一，简直让人觉得这些材料像微型超级英雄一样。

它们不仅体型小，还拥有一些神奇的特性，今天咱们就来聊聊这四个基本效应，听起来可能有点复杂，但咱们就轻松点儿，别让脑子冒烟！咱们得说说量子效应。

这可是纳米材料的一大法宝。

它们小到连普通物质的行为都跟着变了，真是有趣！比如，当这些材料缩小到纳米级别时，它们的电子会被限制在小空间里，这样就能引起一些奇妙的变化。

你可以想象一下，就像是小朋友在狭窄的空间里玩耍，变得更加活跃，原本懒散的态度一下子就不见了，嘿，这就是量子效应给我们带来的新奇现象。

接下来要聊的是表面效应，别看名字简单，但它可是个大事儿。

这种效应说明，纳米材料的表面积相对体积是个大赢家！想想看，表面积大了，反应速度自然快了。

就像咱们吃东西，如果吃一块大蛋糕，可能觉得有点沉闷；可是如果分成小块，哎呀，吃得可欢了！这就是表面效应的魅力所在，材料的化学反应能力直接上升。

很多时候，科学家们会用这种特性来设计新的催化剂，提高反应效率。

你说，这多像个厨师，做菜时总得让食材多接触火，才能做出美味啊。

然后，再来说说量子隧穿效应。

听起来像是科幻电影里的情节，实际上却是纳米材料中经常发生的事情。

这个效应让粒子能“穿越”原本无法逾越的障碍，就像小孩子在跳绳时，有时能做到意想不到的高跳。

科学家们利用这个特性开发了更高效的电子器件。

想象一下，手机里的芯片能更快运行，真是让人拍手称快！未来的科技大潮中，这可是一块不容小觑的“宝藏”。

咱们得提提光学效应。

纳米材料对光的反应那可真是一绝。

有些纳米材料能吸收或散射特定波长的光，这就是它们的“光学效应”。

想象一下，一块材料在不同光线下竟然能变换颜色，简直就像变魔术！这些特性在太阳能电池和传感器中都有广泛应用，给科技增添了不少“色彩”。

通过调节这些材料的结构，咱们可以打造出更高效的光电设备，未来可期啊！所以说，纳米材料可真是科技的“宝藏”，它们的四个基本效应像四位高手，各有千秋，互相辉映。

纳米材料四大效应纳米材料是一种具有特殊尺寸和结构的材料，其尺寸在纳米尺度范围内，即1纳米（nm）等于十亿分之一米。

由于其独特的性质和应用潜力，纳米材料在科学研究和工业应用中引起了广泛的关注。

纳米材料具有四大效应，包括量子效应、表面效应、尺寸效应和量子尺寸效应。

一、量子效应量子效应是指纳米材料在纳米尺度下具有与宏观材料不同的性质和行为。

由于其尺寸接近电子波长，纳米材料的电子结构和能带结构发生变化，导致其电子、光学、磁学等性质呈现出新的特性。

例如，纳米材料的能带宽度增大，带隙变窄，电子输运性质改变，导致电子在材料中的行为呈现出量子级别的效应。

这种量子效应使得纳米材料在光电、催化、传感等领域具有广泛的应用前景。

二、表面效应纳米材料与宏观材料相比，其比表面积更大。

由于纳米材料的尺寸较小，其比表面积相对较大，使得纳米材料的表面原子或分子与外界环境之间的相互作用增强。

这种表面效应使得纳米材料在催化、吸附、储能等方面具有优异的性能。

例如，纳米金属催化剂具有较高的催化活性，纳米多孔材料具有较大的吸附容量，纳米材料的电极材料具有较高的储能密度。

三、尺寸效应纳米材料的尺寸在纳米尺度范围内，相对于宏观材料，其尺寸具有明显的差异。

这种尺寸效应使得纳米材料的物理、化学和力学性质发生变化。

例如，纳米颗粒的晶格缺陷比例增加，导致其力学性能下降；纳米材料的杨氏模量和热膨胀系数随尺寸的减小而发生变化。

尺寸效应使得纳米材料在材料加工、力学强化等方面具有独特的应用潜力。

四、量子尺寸效应当纳米材料的尺寸接近或小于其准束缚半径时，量子尺寸效应将显现出来。

量子尺寸效应是指纳米材料的电子、光学和磁学性质与其尺寸有关，呈现出量子级别的效应。

例如，纳米颗粒的能带结构呈现出禁带宽度的量子化现象，导致光学性质和能带结构的变化；纳米线和纳米薄膜的电子输运性质受到限制，呈现出量子隧穿效应。

量子尺寸效应使得纳米材料在信息存储、量子计算和光电器件等领域具有巨大的应用潜力。