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第一章 纳米材料基本概念

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纳米材料分类和应用最全介绍

纳米材料分类和应用最全介绍
• 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年 来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女 地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的 崭新的物理性能。
• 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者 费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微 尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们 可能获得物性的范围”。
• 这个领域包括了从微米(1-100μ m)、亚微米， 纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸) 的范围。
§1.1 基本概念和内涵
• 从广义上来说，凡是出现量子相干现象 的体系统称为介观体系，包括团簇、纳 米体系和亚微米体系。
• 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出 来，形成一个单独的领域(狭义的介观领 域)。
§1.1 基本概念和内涵
• （2） 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
• 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
§1.1 基本概念和内涵
• 2. 纳米科技(Nano-ST)
• （1）纳米技术：20世纪80年代末期刚刚 诞生并正在崛起的新科技，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。
• 人们研究和开发纳米技术的目的，就是 要实现对整个微观世界的有效控制。
§1.1 基本概念和内涵
• (3) 制造纳米产品的技术路线可分为两种：
• “自上而下” (top down)：是指通过微加工或 固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产 品微型化。 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷 等。

第1章纳米材料的基本概念与性质

第1章纳米材料的基本概念与性质

纳米棒
❖ 因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制 方面有着重要的应用前景：
✓ 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 ✓ 纳米器件
✓ 超大集成电路(ULSIC)中的连线 ✓ 光导纤维
✓ 微电子学方面的微型钻头
✓ 复合材料的增强剂等
目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米丝、纳 米棒等)的制备研究已有大量报道。
1.1.3 纳米粒子薄膜与纳米粒子层系
定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的 薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或 多层膜
复合薄膜中的纳米颗粒
比表面积大
尺寸效应
界面效应
具有特殊的物理性质和化学性质
纳米级第二相粒子沉积镀层举例
(Ni-P)-纳米Si3N4复合层
用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀 液的第二相粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷 镀的方法使Ni-P合金与纳米Si3N4微粒共沉积于基体 表面.它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好等 优异的性能.
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如：
➢含有20％超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高 温材料；
➢金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。
➢超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材 料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接 触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合 体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用 于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、
基本内容 1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性
1.1 纳米材料的基本概念
从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、 纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体 材料的总称。

第1章-纳米材料概述

第1章-纳米材料概述

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。

第一章 纳米材料的基本概念-2014-PDF

第一章 纳米材料的基本概念-2014-PDF
Nanoengineering of NPs’ Surfaces Self-assembly of Ordered
Nanostructures at Different Scales
前言
在20世纪的最后十年一门崭新的学科 － 纳米科 学技术 诞生了。其新颖独特的思路和首批研究成
果问世，在科学技术界，军事界和产业界引起了 巨大的影响，受到广泛的关注。
纳米粒子, 界面结构模型 1985, 美国, Kroto, (Laser) C60, C70的发现
发展历史
1990.7, USA, 1st Nano-Sci & Tech.: “Nanostructured Materials”, “Nano Biology”, “Nanotechnology”.
研究发展历程, 内涵及趋势
Nanocrystalline or nanophase 单相材料的制备, 表征 (1985-1990)
特异性能的挖掘, 复合材料的 设计: 0-0, 0-2, 0-3复合材料
(1990-1994)
Nanostructured assembling,
Patterning materials 有序阵列, 超结构, 材料的合理剪裁…...
1950
1980
1990
2000
Nanowires began to shine !
Sohn et al, Nature 1998, 394, 131 Lieber et al, Nature 2001, 409, 66
Nanosensors
Boron-doped SiNWS were used to create highly sensitive, real time electrically based sensors for biological and chemical species. Amine- and oxide-functionalized SiNWs exhibit pH-dependent conductance that was linear over a large dynamic range and could be understood in terms of the change in surface charge during protonation and deprotonation.

纳米材料的基本概念和性质汇总

纳米材料的基本概念和性质汇总

特殊的物理和化学性质：
镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调 制掺杂效应，该结构相当于大原子-超原子膜材料， 具有三维特征。

纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 这类集成器件具有惊人的信息处理能力；

纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构， 导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。

5、纳米固体材料
定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体 材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体， 结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块 体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。

纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面， 如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界， 原子的扩散系数要比大块材料高 1014～ 1016 倍，从而 使得纳米材料具有高韧性。


按结合方式：范德华力：H、Ne、Ar、Ke、Xe

离子键：LiF、NaCl、CuBr、CsI
化学键：C60、金属原子团簇
特点：

尺
寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围
存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体 液体，介于两者之间 产生条件：作为原子聚集体，多产生于非平衡条件

纳米复合材料的性质：

同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。 强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材 料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料 的强度、弹性模量就越高。

第一章 纳米材料概述

第一章 纳米材料概述

Cross section of human hair ~ 8 x 10-5 m
Red Blood Cell 7x10-6 m by 10x10-6 m
Carbon Atom
Carbon Atom
Virus (Length) ~9 x 10-7 m
CdSe Nanocrystal ~3 x 10-9 m
纳米科技内涵

纳米电子学、纳米加工学和 纳米生物学就是这座大厦那 金碧辉煌的屋顶，是衡量一 个国家纳米科技发展水平的 标志。纳米材料学和纳米测 量学是这座大厦的支柱，这 两个领域的发展水平直接关 系到纳米技术各个领域的发 展。而纳米体系物理学、纳 米化学和纳米力学是这座大 厦的基础
纳米材料学
• 材料是一个社会的支柱之一： 石器时代—青铜器时代—铁器时代—钢的时代 —计算机时代(高纯度的单晶硅)—？？
纳米科学技术



在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技 术称为纳米科学技术。纳米技术本质上是一种 用单个原子、分子制造物质的科学技术。 纳米科学是科学发展到一定程度时的必然阶段 。它不是传统意义上的属于科学的一个学科或 分支。 象科学是有多学科组成一样，纳米科学也是有 多学科组成的。多学科是纳米科学的“天赋” 。 在研究中要充份利用这一特点 。
LYCURGUS (莱克格斯)CUP
纳米材料历史-19世纪


照相术:感光胶片上的卤化银颗粒，颗粒越细 小，照片质量越好。 19世纪中期，对胶体化学(Colloid Chemistry) 的研究，对象是1~100nm的粒子，然而当时并 没有意识到。1856年Michael Faraday 制备出 了第一个Au溶胶。


出淤泥而不染的荷花——荷叶自清洁效应——荷叶的 表面有着复杂的纳米结构，从而在其表面形成一层极 薄的空气层。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，落 到叶面上时，与叶面之间隔着一层空气。水在自身表 面张力的作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰 尘粘落，形成“自清洁”现象。 白毛浮绿水——为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并 不会湿呢?原来，鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间 的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。其他可以浮 水的禽类，如鸭，也有同样的功能。

无机纳米材料

无机纳米材料
粒子小，比表面积急遽变化增大，表面原子数增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不稳定，易结合。（书17页，图1.21，1.22）
体积效应
纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。 如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。
纳米稀土复合氧化物做荧光材料 溶胶凝胶法制备镧-钼复合氧化物超细微粒催化剂(对苯甲醛的选择性）
纳米稀土复合氧化物 及其他纳米复合氧化物
其他无机纳米材料
单击此处添加小标题
纳米SiC的制备：固-固法，固-液法
单击此处添加小标题
应用：制备复合陶瓷（书，141）
单击此处添加小标题
纳米CaCO3的制备与应用
纳米SiC的制备与应用
PLEASE ENTER YOUR TITLE HERE
word
纳米CaCO3的制备与应用
添加标题
CaCO3的分类
添加标题
按粒径 微粒CaCO3；粒1-5μm
添加标题
微细CaCO3；0.1-1μm
添加标题
超细CaCO3；0.02-0.1μm
纳米二氧化硅
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。

1 纳米材料的基本概念.ppt

1 纳米材料的基本概念.ppt

计算机技术
信
通信技术
息 主流核心技术 控制技术
技 术
软件技术 网络技术 广播电视技术
前沿技术
超导技术 生物技术 纳米技术 虚拟技术
有关信息的获取、传输、处理控制的 设备和系统的技术，3C技术是核心。 注：C5I：指信息获取、通信、处理、 控制、对抗（collection,communication Computing, control,countermeasure, intelligence )
Moore law提出后，曾有相当一部分人认为下一代的 器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。
因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作
逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个
过渡时期
纳电子器件。
三、Future Integrated Multichips Systems
RTD：quantum-wellresonant-tunneling diode
挑战: 减少癌症的病痛和死亡— 2015
“A Vision Not a Dream!” by using nanotechnology, A v. Eschenbach, NCI
手段/ 方法？
目标
早期发现 和诊断
2015 10m
现状
发现和诊断
恶性肿瘤 和转移
Year X 现在
过去 mm
Prevention 细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防
靶向药物、饥饿疗法 、热疗法治疗癌症
（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注
A
2.纳米电子器件概念的提出
（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次

纳米材料的基本概念与性质

纳米材料的基本概念与性质
虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及 超导电性与宏观特性有着显著的不同。
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。

第1章 纳米材料概述

第1章 纳米材料概述

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。

纳米材料的基本概念与性质

纳米材料的基本概念与性质
团 簇（原子团簇，Cluster）:
从原子到宏观块体材料的演变
团簇是由几个至几百个原子、分子或离子通过物理或化学结 合力形成的相对稳定的聚集体。通常尺寸不超过1nm。
例如，Fen, CunSm, C60, C70等。团簇的物理和化学性质随所 含原子数目而变化，其许多性质既不同于单个原子、分子，又 不同于固体和液体，是介于原子、分子与宏观固体之间的物质 结构的新层次，有时被称为物质的“第五态”。 原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子间 以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。其形 状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、 层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。
不含碳富勒烯：
1991年以色列魏茨曼研究所R.Tenne首次合成出 二硫化钨笼形管状分子（右图）。
由二硫化钨分子层形成 的不含碳富勒烯
纳米粒子（纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉）：
一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原 子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。 纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。名古 屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微 镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。 纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。其比表面 比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小 尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特异的 性质。
Si
电子能量
导带
3P 3S
价带
晶格间距
使孤立的硅原子彼此接近形成 金刚石结构晶体时形成能带
EF
硅能带中成键态与价带及反键态与导带之间的对应
原子间的相互作用导致能级发生分裂，形成能带结构。 当形成固体的原子数 n 非常大时，实际上形成了准连续 的能带。

纳米材料导论_Ch1_(基本概念)

纳米材料导论_Ch1_(基本概念)
Detection, and Protection • 4. Nanoscale Instrumentation, and Metrology • 5. Nano-Electronics, -Photonics, and -Magnetics • 6. Healthcare, Therapeutics, and Diagnostics • 7. Efficient Energy Conversion and Storage • 8. Microcraft and Robotics • 9. Nanoscale Processes for Environmental
纳米材料导论
（特性、制备与应用）
Introduction to Nanomaterials: Properties, Synthesis and Applications
社社会会需需求求与与学学科科发发展展
• 2001年3月，美国国家科学技术顾问委员会 （NSTC）在《纳米科技的社会影响-- SOCIETAL IMPLICATIONS OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 的报告中对纳米技术在全球的市场容量进行了 预测，在今后10—15年内，每年纳米技术的市 场容量超过一万亿美元。其中，纳米材料和加 工为3400亿美元/年；纳米电子和集成电路为 6000亿美元/年；纳米药物为1800亿美元/年； 纳米催化剂为1000亿美元/年；交通运输（包括 汽车、飞机、铁路、桥梁等）为700亿美元/年。 这些数据显示，纳米材料拥有巨大的市场。
Improvement
主主要要研研究究内内容容
Five R&D categories in nanotechnology: · Nanostructure properties（纳米结构的性能）: Investigate biological, chemical, electronic, magnetic, optical, and structural properties in nanostructures. · Synthesis and processing（合成与加工）: Enable atomic and molecular control of material building blocks to provide the means to assemble and utilize these tailored building blocks for new processes and devices in a wide variety of applications. Extend the traditional approaches to patterning and microfabrication to include parallel processing with proximal probes, stamping, and embossing. Give particular attention to the interface with bionanostructures and bioinspired structures, to multifunctional and adaptive nanostructures, to scaling approaches, and to affordability at commercial scales.

纳米材料基本概念与性质

纳米材料基本概念与性质

纳米薄膜与纳米涂层



这种薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可 以分为两类： （1）含有纳米颗粒和原子团簇的薄膜—基质 薄膜； （2）纳米尺度厚度的薄膜，其厚度接近电子 自由程。 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 用它制作的集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米固体材料
纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 简单的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014～1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物．
一元原子团簇包括金属团簇 ( 加 Nan ， Nin
等)和非金属团簇．非金属团簇可分为碳 簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si 簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以 配位化学键结合形成的化合物

原子团簇

原子团簇是指几个或几百个原子的聚集体（直 径小于1 nm）。它是介于单个原子与固态之间 的原子集合体。 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未 形成规整的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线状、 层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。
当前能大量制备并分离的团簇是 C60(富勒烯) (富勒烯)


纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺度为纳米量级的超微 颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微 粉，一般在1—100 nm之间。只能用高倍电子 显微镜能观察到，所以有人称用电子显微镜能 观察到的微粒为纳米颗粒。

纳米材料基本概念和分类PPT课件

纳米材料基本概念和分类PPT课件
纳米材料基本概念和分类ppt 课件
• 纳米材料简介 • 纳米材料分类 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料应用前景
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度范围是指介于原子、分 子和宏观物体之间的尺寸范围， 这个尺度上的材料具有许多独特 的物理和化学性质。
纳米材料特性
小尺寸效应
由于纳米材料尺寸小，其电子能 级、磁学、光学等性质发生显著 变化，表现出不同于常规材料的
性能。
表面效应
纳米材料的表面原子数占总原子数 的比例很高，表面原子活性高，导 致材料表现出特殊的化学和物理性 质。
量子尺寸效应
当粒子尺寸达到纳米量级时，量子 效应开始显现，纳米材料的光学、 电学等性质发生变化。
一维纳米材料
在空间两个方向尺寸在纳 米尺度，如纳米线、纳米 管等。

二维纳米材料
在一个方向尺寸在纳米尺 度，如石墨烯、氮化硼等。
03
纳米材料制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨机或行星球磨机等 设备，将大块物质研磨成纳米级
粉末。
蒸发冷凝法
通过加热使物质蒸发，然后在冷 凝过程中重新凝结成纳米级颗粒。
纳米材料应用领域
电子信息
制造高性能电子器件、 存储器、显示器等，提 高电子产品的性能和可
靠性。
能源环保
应用于太阳能电池、燃 料电池、环境净化等领 域，提高能源利用效率
和环保性能。
生物医疗
用于药物输送、生物成 像、疾病诊断和治疗等 方面，提高医疗效果和
安全性。
化工环保

第一章 纳米材料的基本概念和性质

第一章 纳米材料的基本概念和性质

河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
表面效应
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。
表1.3 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
纳米微粒尺寸/nm
包含总原子数 3×104 4×103 2.5×102 30
表面原子所占比例/% 20 40 80 99
10 4 2 1
随着纳米微粒粒径的减小，微粒中总原子数减小，而 表面原子占总原子的比例却显著增加
而λ=h/mv=h/p称为德布罗意波长公式。这种波也叫物质波， 它即不是机械波也不是电磁波而是一种"概率波"。
河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
小尺寸效应
纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新 领域：
纳米尺度的强磁性颗粒(Fe-Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴 临界尺寸时，具有甚高的矫顽力。可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁 性车票，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件和旋 转密封、润滑、选矿等领域。 纳米微粒的熔点可远低于块状金属，例如2nm的金颗粒熔点为600K， 随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低 到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
作业
1.试列举纳米颗粒的基本性质有 哪些？
2.试用纳米粒子的表面效应解释， 为什么纳米粒子易于团聚？有哪些 方法可以消除这种团聚？
河南理工大学材料学院 纳米材料导论-第二章
3.纳米微粒的物理特性
河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
3.1 纳米微粒的结构与形貌
通常情况下，纳米微粒为球形。但随着制备方法 和条件的不同，粒子的形貌并非都呈球形，而是 类球形。 有人曾用高倍超真空电子显微镜观察纳米粒子， 结果在其表面发现了原子台阶。

第一章 纳米材料概述

第一章 纳米材料概述


第一章 纳米材料概述
第一章 纳米材料概述
左图为非纳米结构 的表面，水珠滚动时 无法将灰尘带走
右图为具有纳米结构 的表面，水珠滚动时 可将灰尘带走
第一章 纳米材料概述


2、昆虫翅膀的自洁作用
飞行中的昆虫必须保持翅膀的平衡，即使上面沾有一点点 灰尘或水滴，也会因重量不平衡而造成飞行上的问题。尤 其是一些翅膀较大昆虫，因为无法以腿部进行清洁，所以 在翅膀表面多具有纳米结构，可减少与污垢的接触面，水
第一章 纳米材料概述
3-维纳米结构材料的分类示意图
Leabharlann 引言纳米材料是材料科学领域发展的重要成果之一， 人们希望通过运用纳米技术制备比传统材料体积 更小、质量更轻、性能更好的材料。 纳米技术涉及了一个综合的交叉领域，需要通过 物理、化学、材料、生物、机械和电子工程等领 域的科学家的共同努力来实现。

第一章 纳米材料概述


纳米是连接原子、分子和宏观世界的桥梁，当材 料的结构单元在纳米尺度以下时，表现出了不同 于宏观体材料的特殊性质，纳米尺度的结构对材 料的特性起到了决定性的作用，也扩大了材料的 应用范围。 纳米科技目前还处在起步和发展的阶段，远远没 有达到成熟，仍旧需要大量深入的研究工作，纳 米技术在人们日常的生产和生活中的应用也才刚 刚开始，实用化和产业化尚需解决大量的科学和 工程问题。

第一章 纳米材料概述

6、纳米与生物科技

基因工程 将好的DNA片段插入细胞原有的DNA内，使细胞展现 所希望的特性（基因疗法、动植物品种改良）。以往科 学家多利用病毒将所欲的DNA片段送入细胞核内，但 缺点是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究将DNA 片段压缩装进高分子微粒中（25纳米以下），可明显 提高改造成功率，却没有毒性或免疫反应，有效性与安 全性大为改善。
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特异性能的挖掘, 复合材料的 设计: 0-0, 0-2, 0-3复合材料 (1990-1994)
Nanostructured assembling, Patterning materials 有序阵列, 超结构, 材料的合理剪裁…... (1994- )
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广阔的应用前景





电子计算机和微电子工业: 纳米存储器芯片, “掌上电 脑”。 环境保护环境科学领域: 功能独特的纳米膜, 纳米传感 器可探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对 这些制剂进行过滤，从而消除污染. 材料领域: 纳米陶瓷刚柔并济，有一定的塑性，高硬 度和耐高温，使发动机在更高的温度下工作。 医药领域: 把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性 纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体 组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中 到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大。 日常生活: 自清洁玻璃; 杀菌、防霉、除臭和抗紫外线 辐射的内衣和服装; 抗紫外线辐射的功能纤维。
分子以上层次的化学
化学传统的研究层次:一向限定在分子与原 子之间的层次。 表面化学和胶体化学早就提示分子以上还 有一个新世界,化学没有理会。 纳米材料给化学的启示:决定功能的不仅是 构成系统的基本分子的理化性质，还要看 分子怎样组装成为一个趋势。
化学为纳米材料创造了丰富的 研究对象
Photocurrent spectra
Alivisatos et al., Science 2002, 295, 2425
第一章 纳米材料的基本概念

纳米科技的基本概念及内涵 纳米结构的基本单元
纳米微粒的基本理论


1.1 纳米科技的基本概念及内涵
纳米: 尺寸或大小的度量单位
千米→米→厘米→毫米→微米→纳米（ 10-9 m） 万分之一头发丝粗
20
15
3032 2022 0.6 0.8 0.5 0.6
结深 / nm
42 70
25 43
20 33
16 26
11 19
8 13
可见集成度越来越高，器件加工工艺尺寸要求越 来越少。由于量子隧穿效应，特征尺寸在50nm 以下的器件已经难以工作。所以美国半导体工业 协会明确提出：如果这个工业要继续为美国提供 强的经济增长，则要求得到政府对纳米技术的持 续支持。人类对自身起源的探索以及对自身健康 的需要也是纳米科技发展的驱动力。分子生物学 就是在这样基础上发展起来的。生物学要求对单 个分子行为进行观测和分析，特别是要阐明DNA 的工作原理和基因表达。以DNA为基础的纳米结 构有可能在生物、医药等方面有着很好的应用前 景。如：已报道的DNA发动机的研制成功。由于 DNA发动机可以自组装，因而人们期待在试管中
混合分子元件和其它元件制造出纳米机电系统；能进行 自我复制的纳米机器人有可能进入人体完成清理血管的 任务。 纳米科学技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物 学、材料、制造、信息、环境、能源等多学科构成的一 个新兴的学科交叉体系。其内涵极其丰富，包括理、工、 人文学科的交叉，甚至设计法律、社会伦理道德。纳米 科技是涉及基本原理、关键技术和广泛应用的科学技术 体系；大致可划分为基础、技术和应用三个层次。纳米 科技主要包括：(1)纳米材料学；(2)纳米化学；(3)纳米体 系物理学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米力学； (7)纳米加工学。 培养适应纳米科技挑战性的各种人才是纳米科技发 展规律的关键。
何谓纳米科技 (Nano-ST) ?
纳米科学技术: 研究在千万分之一米 (10-7m)到十 亿分之一米(10-9m)内，原子、分子和其它类型物 质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内 对原子、分子进行操纵和加工又被称为“纳米技 术”
0.1-100 nm 纳米科技是一个高度交叉的学科，不仅包括物理， 化学，生物学和电子学在内的观测，分析研究为 主线的基础学科，同时还有以纳米材料学和纳米 工程技术，纳米机械等技术性学科。
Nie et al.,Science 1998, 281, 2016 Han et al., Nature Biotech. 2001,19, 631
Alivisatos et al.,Science 1998, 281, 2013
Mouse-cell nuclei coated with 2-nm quantum dots with urea and acetate groups
在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先 进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求， 元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输 等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备 及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创 新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来 10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略 研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳 米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、 对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也 是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。
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美国纳米官方网站
纳米网上教材 /nano/
材料科学
物理学
纳米科学
化学
信息科学
生物学
纳米材料与化学的关系
纳米材料为化学研究 开辟了一个新的层次 化学为纳米材料创造 了丰富的研究对象
表1 硅基集成电路尺寸变化
年份
特征尺 寸 / nm
1999
180
2002
130
2005
100
2008
70
2011
50
2014
35
表面起 伏 / nm
栅长度 / nm 等效氧 化层厚 度 / nm
65
140 1.9 2.5
45
85 90 1.5 1.9
35
65 1.0 1.5
25
45 0.8 1.2
１９５９年，诺贝尔奖获得者、理论物理学家—理查得· 费 因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》 的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从 上而下(top-down Manufacturing)”的，他提出：为什么我们不 可以从单个分子、甚至原子开始出发进行组装 (bottom-up manufacturing) ，达到我们的要求？……物理学的规律不排除 一个原子一个原子制造物品的可能。”
Moore定律 top-down
纳米科技的提出和发展有着强烈的社会发展需 求的背景。首先来自微电子产业。硅基半导体 工业飞速发展，按人们称之为Moore（Intel公 司创始人Goldon Moore)定律的预测，芯片上晶 体管数量每18个月将会增加一倍。过去20年的 实践证明了它的正确性。如第一代芯片中只有 64个晶体管，而今奔腾IV处理器中，晶体管为 4200个。以Moore定律估计未来10~15年硅基微 电子领域的发展趋势见下表：
3-aminopropyltriethoxysilane
Lieber et al., Science 2001, 293, 1289
Applications in Biology: Quantom dots meet biomolecules
Latex breads with spectral fingerprints” of dots
近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人 注目的成就。例如，存储密度达到每平方 英寸400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、 成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列 激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构 太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道 轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问 世，充分显示了它在国民经济新型支柱产 业和高技术领域应用的巨大潜力。

纳米（nm） 实际上是一种长度单位， 1 纳米仅等于十 亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于 6 万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可 以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料 呈现出极强的活跃性。科学家们说，纳米这个 “小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被 视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计 算机技术更深刻、更广泛、更持久。 1m=1000mm 1mm=1000μm 1μm=1000nm
Nanosensors
Boron-doped SiNWS were used to create highly sensitive, real time electrically based sensors for biological and chemical species. Amine- and oxide-functionalized SiNWs exhibit pH-dependent conductance that was linear over a large dynamic range and could be understood in terms of the change in surface charge during protonation and deprotonation.
纳米科技的提出和費曼预言
纳米科技的提出可以追溯到1959年，诺贝 尔物理奖得主在美国加州理工学院发表了 一篇演讲，题目是：There is a plenty of rooms at bottom。他提出“为什么我们不 能将24卷大英百科全书写到一个针尖上 去呢？”并肯定地回答了这个问题。
纳米材料与化学
课 程 内 容
1. 纳米材料的基本概念 2. 纳米颗粒的物理化学特性 3. 纳米颗粒及结构材料的表征方法 4. 纳米材料的制备技术与进展 5. 纳米材料的水热合成和溶剂热合成 6. 纳米材料的形貌控制 7. 纳米管 (Nanotubes) 8. 纳米结构自组装
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