第一章 纳米材料的物理学基础

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。

第一章纳米结构单元一、零维单元1．团簇（cluster）2．纳米微粒3．人造原子二、一维单元1．碳纳米管2．纳米棒、丝、线3．同轴纳米电缆4．纳米带5．纳米线研究进展一、零维单元1．团簇（cluster）（1）定义：是一类化学物种，指几到几百个原子的聚集体，粒径尺度小于1nm。

是介于单个原子与固态之间的原子集合体。

（2）组成：一元（含金属、非金属团簇），二元及多元原子团簇，原子团簇化合物（3）结构：以化学键紧密结合（除惰性气体外），球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。

（4）物理性质：表面效应、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等（5）研究：多学科交叉C60：寻找星际间分子而发现2．纳米微粒：超微粒子（ultra-fine particle）(1) 定义：尺寸在nm量级的超细微粒，尺度在1~100nm 之间，大于原子团簇，小于通常的微粒。

尺寸为红血球和细菌的几分之一，与病毒大小相当。

“要用TEM才能看到的微粒。

”(2) 性质：由微观到宏观世界的过渡区域，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。

特殊的微观机制→影响宏观性质（生物活性由此产生）(3) 研究：制备、合成和应用。

3．人造原子（artificial atom, super-atom）(1) 定义：尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。

包括：准0维的量子点、准1维的量子棒、准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件(2) 特性：（量子效应）i) 与原子相似之处：a. 离散的能级和电荷b. 电子填充服从洪德定律ii) 与原子的差别：a. 含有一定数量的原子b. 形状、对称性多种多样c. 电子间的相互作用复杂d. 电子在抛物线形的势阱中，上层电子束缚弱(3) 应用：体系的尺度与物理特征量相当量子效应→新原理、新结构二、一维单元1．碳纳米管（Bucky Tube巴基管）发现：1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员、名城大学教授饭岛澄男（Sumio Iijima）利用透射电镜首次观察到碳纳米管。

纳米物理学是研究纳米尺度下物质性质和行为的一门科学。

纳米物理学的研究范围非常广泛，包括纳米结构、纳米材料、纳米器件、纳米生物医学等。

在纳米物理学中，研究的一个重要方向是纳米结构。

纳米结构是指物质在纳米尺度下的排列和组合方式。

在纳米尺度下，物质的性质和行为与宏观尺度下有很大的不同，因此纳米结构的研究对于理解纳米尺度下的物质性质和行为非常重要。

另一个重要的研究方向是纳米材料。

纳米材料是指由纳米尺度的颗粒组成的材料。

这些颗粒可以是金属、半导体、绝缘体等不同的物质，也可以是不同物质组成的复合材料。

由于纳米材料具有很多独特的性质，如高强度、高韧性、高硬度、高耐磨性等，因此在很多领域都有广泛的应用前景。

纳米物理学的研究还涉及到纳米器件。

纳米器件是指利用纳米尺度的结构和材料制成的器件。

这些器件可以是电子器件、光电子器件、生物器件等。

由于纳米器件具有很多独特的性质，如高灵敏度、高分辨率、高速度等，因此在很多领域都有广泛的应用前景。

除了上述的研究方向，纳米物理学还涉及到很多其他领域，如纳米生物医学、纳米能源等。

在纳米生物医学中，纳米物理学可以用于研究生物分子的结构和功能，以及药物分子的传输和释放等。

在纳米能源中，纳米物理学可以用于研究太阳能电池、燃料电池等的能量转换效率和稳定性等。

总之，纳米物理学是一门非常重要的科学，对于理解纳米尺度下的物质性质和行为，以及开发新的技术和应用都具有非常重要的意义。

随着科学技术的不断发展，纳米物理学的研究将会更加深入和广泛，为人类带来更多的创新和进步。

纳⽶材料教案第⼀章概论1.1 纳⽶简介1.1.1 介观领域⼈类对客观事物的认识是不断发展的。

从认识⽤⾁眼能直接看到的事物开始，然后不断深⼊，逐渐发展到两个层次：宏观领域和微观领域。

1、宏观领域：⽤⼈的⾁眼可见的最⼩物体开始为下限，上⾄⽆限⼤的宇宙天体。

2、微观领域：以分⼦原⼦为最⼤起点，直⾄在时间和空间的坐标中，下限是⽆限的领域。

然⽽，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开拓的“处⼥地”。

这块“处⼥地”领域即不同于宏观领域，有不同于微观领域，我们称之为介观领域。

介观领域：包括了微⽶、亚微⽶、纳⽶到团簇尺⼨（⼏个到⼏百个原⼦的尺⼨）的范围。

在这个领域，由于三维尺⼨都很细⼩，出现了许多奇异、崭新的物理性能。

1.1.2 纳⽶（nanometer）“纳（nano）”含义：⼗亿分之⼀，数量级为：10-9 ，⽐如：1纳秒= 10-9秒。

纳⽶（nanometer）：是⼀个长度单位，简写nm 1nm = 10-9m在原⼦物理中还常使⽤埃作为长度单位（?）1 ? = 10-10m ，所以1nm = 10 ?。

氢原⼦的直径为1 ?，所以1纳⽶就相当于⼗个氢原⼦⼀个挨⼀个地排列起来的长度。

⼀纳⽶的尺度与⼀⼈的尺度相⽐就相当于⼀⼈的尺度与⽉亮尺度相⽐。

长度单位：1⽶（m）= 103毫⽶（mm）= 106微⽶（µm）= 109纳⽶（nm）= 1012⽪⽶（pm）= 1015费⽶（fm）1.2 纳⽶科学技术的重要意义1.2.1 纳⽶科技指的是什么？纳⽶科学技术（Nano Science and technology）纳⽶科学技术的内容：在纳⽶尺度范围内认识和改造⾃然，通过直接操纵和安排原⼦、分⼦⽽创造新物质。

纳⽶科学技术（Nano Science and technology）是80年代末诞⽣并正在蓬勃发展的⼀种⾼新科技。

它的出现标志着⼈类改造⾃然的能⼒已经延伸到原⼦、分⼦⽔平，标志着⼈类科学技术已经进⼊⼀个新的时代—纳⽶科技时代。

材料物理学中的纳米材料物理学中的一个重要领域就是材料物理学，专注于研究实体材料的物理特性。

随着科技的发展，我们已经能够做到在纳米尺度上探索新物质的构造和性质，从而开辟出纳米材料的学科领域。

纳米材料以其具有优越特性和广泛的应用性，正在改变着我们的日常生活和工业生产。

纳米材料的基本概念纳米材料，顾名思义，是指具有纳米尺度特性的物质。

具体地说，这些物质的任一维度的大小都在1至100纳米之间。

在这样的尺度下，材料的物理性质会发生有趣的改变，展现出独特的表征模式。

纳米材料的物理性质物性上的显著改变主要有以下几个方面：1. 量子大小效应：当材料的尺度降至纳米级别时，由于其粒子在空间上的限制，出现的一系列新的物理现象和新的量子效应。

2. 表面效应：纳米材料的尺寸小，表面积大，故表面附近的物质运动状态明显不同于那些在体内部的物质。

3. 小效应：纳米材料的小尺度效应使得其力学性质、热性质、光电性质、磁性质和化学力学性质等呈现出不同于传统材料的性质变化。

纳米材料的制备技术制备纳米材料的技术通常分为两大类：从上到下的方法，例如粉砕和蚀刻；从下到上的方法，如化学气相沉积、溶液凝胶法等。

目前，各种制备纳米材料的方法都已经得到了广泛的研究和应用。

纳米材料的应用纳米材料的广泛应用也可以说是其研究热度的主要原因之一。

这些材料可以广泛用于催化剂、传感器、药物输送、电池、电子器件、材料合成、辐射抵抗材料等。

同时，纳米材料还在新能源、环境保护和医疗健康等领域展现着巨大的应用前景。

总结在纳米尺度下，材料的性质会发生有趣且独特的变化。

这促使材料物理学者创新思维，利用纳米材料的特性开发出许多高效的工艺和应用。

然而，纳米材料研究还面临着许多挑战，例如如何批量和精确地制作纳米材料，如何理解和应用其复杂的物理性质等，希望未来更多的研究者能够参与到这一领域，共同推进纳米科技的发展，为人类的进步贡献自己的力量。