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纳米微粒的基础理论课件

纳米微粒的基础理论课件
的方法。
沉淀法是通过化学反应使溶液中的离子形成沉淀，再 经过洗涤、干燥得到纳米微粒的方法。
化学法是通过化学反应制备纳米微粒的方法， 主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、沉淀 法等。
溶胶-凝胶法是利用溶胶中的胶体粒子相互聚结 形成凝胶，再通过干燥和热处理得到纳米微粒的 方法。
生物法
1
生物法是利用生物体系中的酶、微生物等生物分 子进行催化或合成纳米微粒的方法，主要包括生 物合成法和生物提取法。
根据应用需求选择合适的制备方法， 如根据所需纳米微粒的尺寸、形貌、 化学成分等特性选择合适的制备方法 。
03
纳米微粒的性质与应用
纳米微粒的物理性质
小尺寸效应
由于纳米微粒的尺寸在纳米级别，其电子能级发 生分裂，导致新的光学、电学和磁学等性质。
表面效应
纳米微粒的巨大表面积与体积比使其表面原子活 性增加，影响其化学反应活性。
量子效应
在纳米尺度上，电子的运动受到限制，表现出显 著的量子效应，影响材料的导电性和磁性。
纳米微粒的化学性质
01
02
03
高反应活性
纳米微粒具有高表面能， 使其在化学反应中表现出 高反应活性。
催化性能
纳米微粒可作为高效的催 化剂，应用于许多化学反 应中。
稳定性与相容性
通过表面修饰，纳米微粒 可以改善其在不同介质中 的稳定性和相容性。
研究和评估。
跨学科合作
纳米微粒的研究和应用涉及多 个学科领域，需要加强跨学科 的合作和交流，促进创新发展 。
技术瓶颈
目前纳米微粒的制备、表征和 应用技术还存在一些瓶颈，需 要加强技术研发和创新。
法规和伦理问题
随着纳米微粒的广泛应用，相 关的法规和伦理问题也逐渐凸 显，需要建立相应的规范和标

纳米粒子的特性课堂PPT

纳米粒子的特性课堂PPT
电子数为奇数的磁化率服从： 居里－外斯定律：＝ C
T Tc
量子尺寸效应使磁化率遵从d-3规律(d平均颗粒直径)
电子数为偶数的磁化率服从： kBT
磁化率遵从d2规律
4
• 在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，
每个晶粒都呈现单磁畴结构，其磁化过 程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也 是永久性磁体。
• 20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微 粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有 灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且 有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮 度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电.
17
优异的光吸收材料
•
纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收
27
例如，纳米银细粒径 和构成粒子的晶粒直 径分别减小至等于或 小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温 度上升呈线性下降， 即电阻温度系数a由正 变负。
28
介电特性
• 介电特性是材料的基本物性, 电介质材料中介电 常数和介电耗损是最重要的物理特性.
• 常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米 材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差 别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自 己的特点。主要表现在介电常数和介电损耗与颗 粒尺寸有很强的依赖关系。电场频率对介电行为 有极强的影响。
• 在一些情况下，可以观察到光吸收带相对粗 晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长 波长。
• 此外，纳米固体有时会呈现一些比常规粗晶 强的，甚至新的光吸收带。
• 纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线 性光学效应。
14
发光现象
• 纳米二氧化钛的光致发光现象
15
• 纳米激光通讯技术的应用

纳米颗粒(课堂PPT)

纳米颗粒(课堂PPT)
27
白蛋白纳米球
28
(2)明胶纳米球
将W/ O 型乳状液中的明胶乳滴 冷却至胶凝点以下 用甲醛交联固化 可用于对热敏感的药物
29
明胶纳米球
将300 g/ L 的明胶溶液3 ml (含有1. 8mg 丝裂霉素) 在3 ml 芝麻油中乳化。
将形成的乳状液在冰浴中冷却,使明胶乳 滴完全胶凝,再用丙酮稀释,用50 nm 孔 径的滤膜滤过,弃去粒径较大的颗粒。
21
PACA纳米球
22
(2)聚甲基丙烯酸甲酯纳米球(囊)
聚合反应引发：γ射线辐射或化学引发剂(如过 硫酸钾)。 聚合物的平均分子量及纳米囊或纳米球的粒径 均随单体浓度的增大、引发剂浓度的降低及温 度的降低而增大。 制备PMMA纳米球时一般不加乳化剂，但加入 高分子保护胶体，如蛋白质可使粒径分布变窄。
(1)聚氰基丙烯酸烷基酯纳米球(囊)
聚合引发剂：水中OH-离子。 通常制得的聚合物平均分子量较低，纳米球软 且易粘连，需应用稳定剂，如右旋糖酐。 影响粒径的重要因素：溶液的pH值和单体的 浓度。 本法制得的纳米囊或纳米球中药物的收率在 15%~90%范围内，亲脂性药物收率较高。
16
PACA聚合反应
纳米球或纳米囊的粒径取决于溶剂蒸发 之前形成的乳滴的粒径
通过搅拌速率、分散剂的种类和用量、 有机相及水相的比例、粘度、容器及搅 拌器的形状和温度等因素可以调节纳米 球或纳米囊的粒径。
39
曲安奈德聚乳酸(PLA) 纳米粒
曲安奈德（皮肤抗炎用药）20 mg 与PLA 400 mg 溶于2 ml 氯仿中为油相,
30
明胶纳米球
用丙酮洗去纳米球( ≤50 nm) 上的油 加10 %甲醛的丙酮溶液30 ml 使纳米 球交联10 min 丙酮洗涤,干燥,即得单颗粒纳米球

纳米微粒的特性-

纳米微粒的特性-

非牛顿流体：包括假塑性流体、塑性流体和胀流体。假塑性
流体和塑性流体都属于剪切变稀的流体，但塑性流体具有屈 服值。胀流体 属于剪切变稠的流体。 黏度η：是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力 与剪切速率之比表示。
ηred为胶乳浓度(体积分数) ，Φ为粒子的形状因子，等 于2.5，Ｋ为静电引力常数(约1.35)。随胶乳粒径减小黏度的增加 是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大， Mooney式中的Ｋ变大所致。
三、流变学
流体
牛顿流体
非牛顿流体
假塑性流体
塑性流体
胀流体
1.基本概念
流体：流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位
置的分子构 成的,它的基本特征是没有一定的形状和具有流动 性。流体都有一定的可压缩性,液体可压缩性很小,而气体的可 压缩性较大。流体的流变形态分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体：剪切应力τ与剪切速率 成正比的流体。
② 作新的润滑剂。
通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性
颗粒尺寸仅为10单位，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润 滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的 部位。
③ 增进扬声器功率。
在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数 比空气高5~6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍。磁性 液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的 结构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响 曲线。
例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土类金属的电解 液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它是有层次）。吸 附层的电学性质也有很大的差别． 紧密层：靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为 紧密层，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性 分散层：离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称为 分散层。

纳米科学与技术-纳米微粒的结构与物理化学特性

纳米科学与技术-纳米微粒的结构与物理化学特性

（4） 热稳定性
从传统的晶粒长大理论中可知，晶粒长大驱动力 Δμ 与晶粒尺寸 d 的关系可由 Gibbs-thompson 方程 描述： 4 d Ω为原子体积；γ为界面能。 当晶粒尺寸 d 细化到纳米量级时，颗粒表面能高， 为颗粒长大提供动力，纳米晶通常处于亚稳态， 晶粒长大的驱动力很高，容易长大 。 通常，细晶粒在加热时易于长大，但需达到一定 的临界温度。
e E E C p 3 R 2 T Βιβλιοθήκη E E e 1 2
E
Debye定律 1912年，P. Debye建立了另一个关于固体比 热容的量子论。认为振动（声子）是以一个 连续的光谱频率而非单一频率在固体的连续 介质中传播。
T3 C v 9 R D
（i）多晶材料的比热容
（a）中高温度的情况 1819年，P. Dulong和A. Petit发现室温下不同固体的 摩尔比热容几乎相同，接近26J.mol-1K-1。
一些物质如钻石、锗、硅等比热容的实际值比预 测的较小，除此之外，杜隆-帕替定律在室温下是十 分准确的。 另外，随着温度的降低，固体的比热容迅速减小， 在绝对零度时消失，只能用量子论解释。 爱因斯坦定律 1907年，爱因斯坦建立了比热容的第一量子论。假 定固体中的每一个原子以一定的频率振荡，振荡产 生的能量是造成比热容的原因。
（3 ）热膨胀系数的增加
固体材料受热后晶格振动加剧而引起的容积 膨胀的现象------热膨胀。 由固体物理可知：热膨胀的本质在于材料晶 格点阵的非简谐振动，当晶格作非线性振动， 就会有热膨胀发生。
V V0 E p V0 KV K
K 体积弹性模量，γ 格林艾森常数。
纳米晶体在温度发生变化时，非线性振动包括： 晶体内的非线性热振动 晶界组分的非线性热振动 往往后者的非线性振动较为显著。 纳米晶界占体积百分数较大，故对热膨胀起着主 导作用。

纳米材料与技术-纳米微粒的基本特性

纳米材料与技术-纳米微粒的基本特性

第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态：物质的第?态！区别于固、液、气态，也区别于“等离子体态”（物质第四态）、地球内部的超高温、超高压态（物质第五态），与“超导态”、“超流态”也不同。

纳米态的物质一般是球形的。

物质在球形的时候，在等体积的条件下，它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高，有着很好的强关联性。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。

在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。

尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。

纳米微粒一般为球形或类球形，可能还具有其他各种形状（与制备方法有关）。

纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，内部的原子排列比较整齐，但有时也会出现很大的差别：高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。

二、纳米微粒的基本特性1. 纳米微粒的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。

➢大块Pb的熔点为600K，而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。

➢ Ag的熔点：常规粗晶粒为960︒C；纳米Ag粉为100︒C ➢ Cu的熔点：粗晶粒为1053︒C；粒度40nm时为750︒C纳米微粒的熔点降低：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全、活性大，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多，使纳米微粒的熔点急剧下降。

✍应用：降低烧结温度。

纳米微粒尺寸小，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，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。

纳米微粒的化学特性

纳米微粒的化学特性
B方法 通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体
打碎。
C原理 其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间
的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分散剂中。
第13页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
2防止小颗粒团聚采用的方法：
A、加入反絮凝剂形成双电层 反絮凝剂的选择可依纳 米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的电 解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双 电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生 团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。
例子 如，纳米氧化物SiO2，Al2O3和TiO2等在水中的 pH高低不同(带正电或负电)，因此可选Na+，NH4+或Cl-
，NO3-异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电层， 从而达到分散的目的。
第14页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
B、加表(界)面活性剂包裹微粒 为了防止分散的纳米粒子团聚也
第17页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
图中：VR为立体障碍所致的 排斥电位；VA为范德瓦耳
斯力所致引力；VN为磁引力
由图看出，粒子之间存在位垒，粒
子间若要发生团聚，必须有足够大的引 力才可能使粒子越过势垒，由于磁引力 和范德瓦耳斯引力很难使粒子越过势垒 ，因此磁性粒子不会团聚。
第27页，共46页。
§4.3流变学
4.3.2纳米Al2O3悬浮液的黏度
下图所示为不同粒径下，不同浓度Ａl２Ｏ３微粒水 悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该 种悬浮液呈现出黏度随剪切速度增加而减小的剪切 减薄行为。
图4.7 不同浓度Al2O3微粒的悬浮液的黏 度与剪切速度的关系

纳米粒子PowerPoint 幻灯片 (2)

纳米粒子PowerPoint 幻灯片 (2)

液晶显示材料
纳米材料的应用——储氢材料
• 氢能是人类未来最理想的能源， 其热值高，资源丰富，无毒无污 染，并可再生。氢-氧燃料电池 可做汽车发动机的动力，达到零 排放。纳米材料可以作为储氢材 料，反复循环使用。研究表明许 多合金可作为储氢材料，如 LaNi5,FeTi的纳米颗粒可作为储 氢材料，若包覆V，Pd后，其储 氢性能将更大提高。
纳米复合膜陶瓷过滤机图
纳米材料的应用——光学材料
液晶显示材料
• 从光学角度来说，石墨烯是一种 “透明”的导体，可以用来替代现在 的液晶显示材料。目前的液晶显示器 利用的是以铟为基础的金属氧化物薄 膜，而铟这种金属十分稀有，预计在 未来十年内就可能出现供应短缺。另 外，与目前电脑、手机等电子产品的 重要原材料硅相比，石墨烯也具有诸 多优势，因此它将来有望取代硅，在 电子产品生产中得到广泛应用。
•
1959年，美国著名理论物理学R.Feynma曾说过： “我深信，当人们能操纵细微物体排列时，将可获得 极其丰富的新的物质的质”。如今，这一梦想终于能 在纳米材料得以实现。人们对纳米粒子的物理化学性 质的研究逐步深入，到了20世纪90年代，人工制备 的纳米材料已达百种以上。1990年7月在美国巴尔的 摩召开的第一届NST会议，标志着这一全新的技术— —纳米科技正式诞生。
氧化锌纳米粒子
纳米材料制备方法分类 纳米材料的类别
纳米粉体
化学法
沉淀法（共沉淀、均相 沉淀） 化学气相凝聚 （CVC ),水热法 相转移 法 溶胶-凝胶法 溶胶--凝胶法 电沉淀பைடு நூலகம் 还原法 非晶晶化法 原位聚合法 抽层法 乳液法 超微乳法 悬浮法 高分子包覆法 乳液法
物理法
综合法
惰性气体沉淀法 蒸发法 激光 辐射化学合成法 溅射法 真空蒸镀法 球磨法 爆炸法 喷雾法 溶剂挥发法 惰性气体蒸发法 高速粒子沉 淀法 激光溅射法 超声沉淀法

第五章：纳米微粒的结构与物理化学特性

第五章：纳米微粒的结构与物理化学特性
第五章 纳米微粒的结构与物理化学特性
• 教学目的：讲授纳米微粒的结构与物理化学 特性 • 重点内容： • 纳米微粒的结构 • 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 • 难点内容：物理特性
• 熟悉内容:
• 动力学性质 • 化学特性：吸 • 主要应用领域
• (1) 熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多。
• 例如：
• 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 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(焊接塑料部件)。
单体浓度高
中
低
• 2.4 表面修饰剂 • A. Paul Alivisatos 以 CdSe 为 例 ， 用 不 同 配 比 的 TOPO 三辛基磷化氢 /HPA 己基磷酸混和液作表面 修饰剂制备出了不同形状的CdSe纳米晶体，包括： 球状、棒状、箭头状还有三臂状的等。证实修饰 剂的不同对纳米晶体形状的影响。
• §5.2.1 热学性能 • 纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体 材料，具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、 畴界等)。
• 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。 • 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。
• 1 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。

纳米材料学(二)——纳米微粒的特性

纳米材料学(二)——纳米微粒的特性

表面效应
表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随 粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒 子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。例 如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm 时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表 面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，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。
蓝移和红移现象：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。对纳米微粒 吸收带“蓝移”的一种解释是基于纳米 微粒的量子尺寸效应。由于颗粒的尺寸 减小、能隙变宽，即已被电子占据分子 轨道能级与未被占据分子轨道能级之间 的宽度（能隙）随颗粒直径减小而增大， 这是产生蓝移的根本原因。
纳米微粒的化学特性
吸附 分散与团聚 催化作用
吸附
吸附是相接触的不同相之间产生的结合 现象。 吸附可分为两类，物理吸附和化学吸附。 物理吸附是吸附剂与吸附相之间以范德 华力之类较弱的物理力相结合； 化学吸附是吸附剂与吸附相之间以化学 键强结合。
纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不 足，与相同材质的大块材料相比，有较强的吸 附性。 纳米粒子的吸附性与被子吸附物质的性质、溶 剂的性质以及溶液的性质有关。 电解质和非电解质溶液以及溶液的pH值等都对 纳米微粒的吸附产生强烈的影响。 不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大差别。
加入反絮凝剂形成双电层； 加入表面活性剂包裹微粒。

纳米结构和纳米材料 第2章 纳米微粒的结构与物理和化学特性

纳米结构和纳米材料 第2章 纳米微粒的结构与物理和化学特性

超顺磁状态的起源可归为以下原 因：在小尺寸下，当各向异性能减小到
与热运动能可相比拟时，磁化方向就不 再固定在一个易磁化方向，易磁化方向 作无规律的变，结果导致超顺磁性的 出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超 顺磁的临界尺寸是不同的。
（2） 矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通 常呈现高的矫顽力Hc
金纳米颗粒的粒径与熔点的关系
烧结温度－粉末高压成型后，在低于熔点的温 度下使粉末成块，密度接近于常规材料的最低 加热温度。
纳米颗粒尺寸小，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运 动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位 团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达 到致密化的目的，即烧结温度降低。
（4） 磁化率
纳米金属的磁化率是常规金属的20倍。
（5） 比饱和磁化强度
纳米金属Fe（8nm）饱和磁化强度比常规 α- Fe低40％，纳米Fe的比饱和磁化强度 随着粒径的减小而下降。
室温比饱和磁化强度σs与平均 粒径 d 的关系（Fe）
3） 光学性能
纳米粒子的一个重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径 与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗 意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著。与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响。
铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径 和温度的关系
（3） 居里温度
居里温度Tc是物质磁性的重要参数。 实验表明：随着铁磁薄膜厚度的减小， 居里温度下降，对于纳米微粒，由于小 尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的 本征和内禀的磁性变化，因此具有较低 的居里温度。

纳米粒子的特性 ppt课件

纳米粒子的特性 ppt课件

2．磁学姓质
(1).超顺磁性
居里－外斯定律：＝ C
T Tc
超顺磁性：矫顽力H c
0，对于 H
kBT
1时：
磁化强度：M P
2 H ，为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可想
比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化
方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
• 美国政府大幅度追加纳米科技研究经费，其原 因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带 来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁 头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模 的工业生产，磁随机存储器的市场估计为1千 亿美元。磁电子传感器件的应用市场亦十分宽 广
纳米磁极
6极
8极
4极
磁性液体
• 纳米粒子粒径小于临界半径(一般为5～10ｎｍ) 时变得有超顺磁性,如把此强磁性纳米粒子包裹一 层表面活性剂后均匀地分散到溶液中,可制得一类 新型液态胶状磁流体材料--磁性液体。
• 1999年以GMR多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD) 进入市场，其存储密度达到11Gbits/in2，而1990年 仅为0.1Gbits/in2，10年中提高了100倍。
• 目前GMR的研究开发工作正方兴未艾，而将
上述隧道磁电阻(TMR)多层膜应用于新型随机存 储器 (MRAM)的研究又已经展开。
• 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低为288K；
• 纳米Ag微粒在低于373K时开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
• 这一特点使低温下将纳米金属烧结成合 金产品成为现实，且为不溶解的金属冶 炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性
•纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400℃
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吸附不仅受粒子表面性质的影响，也受 吸附相的性质影响，即使吸附相是相同 的，但由于溶剂种类不同吸附量也不一 样．
5.2. 电解质吸附
电解质在溶液中以离子形式存在，其吸附能力 大小由库仑力来决定 ． 纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象大多数属 于物理吸附 。由于纳米粒子的大的比表面常常 产生键的不饱和性，致使纳米粒子表面失去电 中性而带电 (例如纳米氧化物，氮化物粒子 )， 而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离子吸 引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附 主要是通过库仑交互作用而实现的．
纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、 溶剂的性质以及溶液的性质有关． 电解 质和非电解质溶液以及溶液的 PH值等都
对纳米微粒的吸附产生强烈影响．不同 种类的纳米微粒吸附性质也有很大差 别．下面仅以纳米陶瓷颗粒吸附性为例， 比较一下纳米微粒的吸附特性．
5.1. 非电解质的吸附
非电解质是指电中性的分子 ，它们可通 过氢键、范德瓦耳斯力、偶极子的弱静 电引力吸附在粒子表面．其中主要是以 氢键形成而吸附在其它相上．
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Ca2+，Mg2+，H+ 之类阳离子使双电层厚 度减小，Na+，K+，之类阳离子会扩展双 电层，使黏度降低，因此， 用沉淀法除 去粘土中的多价阳离子才能形成低粘度 泥浆．这里应当注意，Zeta势高，氧化物 泥浆粒度低。
第五章 纳米微粒的化学特性
1.吸 附
吸附是相接触的不同相之间产生的结合现 象．吸附可分成两类，
一是物理吸附 ，吸附剂与吸附相之间是以范德瓦 耳斯力之类较弱的物理力结合；
二是化学吸附 ，吸附剂与吸附相之间是以化学键 强结合． 纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不 足．与相同材质的大块材料相比较，有较强的 吸附性．
小，结果在整个吸附层中产生电位下降梯 度．上述两层构成 双电层．
2 纳米微粒的分散与团聚
2．1 分散
在纳米微粒制备过程中．如何收集是一个关 键问题，纳米微粒表面的活性使它们很容易团聚 在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大 的团聚体．这给纳米微粒的收集带来很大的困 难．
为了解决这一问题，无论是用物理方法还是 用化学方法制备纳米粒子经常采用分散在溶液中 进行收集．尺寸较大的粒子容易沉淀下来．当粒 径达纳米级 (1—100nm) ，由于布朗运动等因素阻 止它们沉淀而形成一种悬浮液 (水溶胶或有机镕 胶 )．这种分散物系又称作胶体物系，纳米微粒
2．2微粒的团聚
悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳斯力作 用很容易发生团聚，而由于吸附在小颗粒表面 形成的具有一定电位梯度的双电层又有克服范 德瓦耳斯力阻止颗粒团聚的作用．因此， 悬浮 液中微粒是否团聚主要由这两个因素来决 定．当范德瓦耳斯力的吸引作用大于双电层之 间的排斥作用时粒子就发生团聚。在讨论团聚 时必须考虑悬浮液中电介质的浓度和溶液中离 子的化学价．
(2)加表(界)面活性剂包裹微粒
为了防止分散的纳米粒子团聚也可加入表面
活性剂，使其吸附在粒子表面，形成微胞状态， 由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力， 使得粒子间不能接触，从而防止团聚体的产 生．这种方法对于磁性纳米颗粒的分散制成磁 性液体是十分重要的 ．磁性纳米微粒很容易团 聚，这是通过颗粒之间磁吸引力实现的，因此， 为了防止磁性纳米微粒的团聚，加入界面活性 剂．例如油酸，使其包裹在磁性粒子表面，造 成粒子之间的排斥作用，这就避免了团聚体的 生成．
即使在这种情况下，由于小微粒之间库 仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发 生．如果团聚一旦发生，通常用 超声波 将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体打碎。
其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体 中小微粒之间的库仑力或范德瓦耳斯力， 从而使小颗粒分散于分散剂中．为了防 止小颗粒的团聚可采用下面几种措施：
(1)加入反絮凝剂形成双电层
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这表示加入 Na+离子后，取代了原粘土双电层 中的 Ca2+离子。当 Ca2+离子形成了难溶的盐， 如CaSiO 时，若 pH值高于 7，粘土粒子外部就 会吸附大3量 OH-离子，使粒子带电，双电层中
多价离子消失，双电层增厚，使黏度下降．当 加NaOH 时，由于生成物 Ca(OH) 是可溶性， 不能保证双电层中没有高价离子 C2a2+，高价离 子会使双电层减小，致使粘度下降的强度没有 像加Na SiO 那样明显．
界面活性剂的选用主要是让相应的磁性 微粒能稳定地悬浮在载液中，这对制备 磁液来说是至关重要的，它关系到磁液 是否可以制成 ，其稳定性是否合要求 等． 一般可供应用的界面活性剂见表 4．1．
磁性微粒可以是： Fe O ，γ-Fe O 、单一或复 合铁氧体、纯铁粉、纯3钴4粉、铁2-钴3 合金粉、稀 土水磁粉等， 目前常用Fe O 粉．
到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的 材料，因此真正的液态强磁性材料尚在探索之 中， 本节所论述的磁液是由磁性微粒通过界面 活性剂高度分散于载液中而构成的稳定胶体体 系． 它既具有强磁性，又具有流动性，在重力， 电磁力作用下能长期稳定地存在，不产生沉淀 与分层。
磁液是由 磁性微粒、界面活性剂和载液 三 者组成，三者关系如图所示
3.2双电层对粘性的影响
固体浓度约 60％(体积浓度约 36％)的Ca-粘土
泥浆流动性很差，若在此泥浆中加 NaOH，可
以大大改善流动性，即降低粘度．若添加
Na SiO ，粘度下降更明显．下面为加入 NaOH
和
2
Na
3
SiO
时Ca-粘土的双电层及粘度变化的例
子。当2 加入3 NaOH或Na SiO 时会发生如下反应：
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载液选用需视所制磁液特点及用途，一般来
说， 在选用磁液时，应首先考虑载液的种类， 其次才是磁液的其他指标 ，对使用者来说．在 具体选用磁液时，可参考表 4．2．
一般来说，磁液主要性能指标是高场 (Ho ＞650A／m)下的磁化强度 M (A／m)，粘 度η(Pa·s)，使用温度范围，有s 时还要考 虑蒸气压及其它理化参数，如流动点 (K)， 沸点(K)，闪点(K)，密度(kg／m3)等．
3.流变学
当流体的剪切应力 τ正比于剪切速度 γ时，即τ＝ ηγ，粘度为常数，这种流体称 牛顿流体 ，但某 些流体不遵循上述关系，其粘度随 τ和γ而改 变．
3.1 磁性液体的粘度
(1) 磁液的基本知识
在前面各节所述的磁性材料中，不论它 是单晶的还是多晶的，金属的还是氧化物的， 晶态的还是非晶态的，块状的还是薄膜状的都 属固体状态，而本节所论述的却是液态磁性材 料，以下简称为 磁液。
例如，纳米尺寸的粘土小颗粒在碱或碱土类金 属的电解液中，带负电的粘土超微粒子很容易 把带正电的 Ca2+离子吸附到表面，这里 Ca2+离 子称为异电离子 ，这是一种物理吸附过程，它 是有层次的，吸附层的电学性பைடு நூலகம்也有很大的差
别．一般来说， 靠近纳米微粒表面的一层属于 强物理吸附，称为紧密层 ，它的作用是平衡了 超微粒子表面的电性； 离超微粒子稍远的 Ca2+ 离子形成较弱的吸附层，称为分散层 ．由于强 吸附层内电位急骤下降，在弱吸附层中缓慢减
反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电 类型等来定 ，即：选择适当的电解质作分散剂， 使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层，通 过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生团 聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目 的．
例如，纳米氧化物 SiO ，Al O 和TiO 等在 水中的pH高低不同(带正电2 或负2电3)，因此2 可选 Na+，NH +或Cl-，NO -等电离子作反絮凝剂， 使微粒表面4 形成双电层3 ，从而达到分散的目 的．
(2)磁液的粘度
磁性液体的粘度是衡量磁液的一个重要参
数．纳米微粒在磁液中流动性好，磁液强度低， 反之，磁液强度大． 影响磁液粘度的因素很 多．最重要的是磁液中微粒的体积百分数、载 液的粘度、界面活性剂的性质． 外加磁场对磁 液的粘度有明显的影响．当外加磁场平行于磁 液的流变方向时，磁液粘度迅速加大．而外加 磁场垂直于磁液流变方向，磁液的粘度也有提 高，但不如前者明显。