纳米材料的结构特征

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。

纳米材料的结构与性能纳米材料是指在一维、二维或三维尺度中至少有一个尺寸小于100纳米的材料。

由于其尺寸特殊性，纳米材料具有诸多独特的性能和结构特征。

本文将深入探讨纳米材料的结构与性能，以期对其研究和应用起到一定的帮助。

首先，我们来谈谈纳米材料的结构。

纳米材料的结构形态可以分为多种类型，常见的包括纳米粉末、纳米膜/薄膜、纳米线和纳米颗粒等。

纳米粉末是指粒径小于100纳米的粉末状物质，通常由凝聚或化学方法得到。

纳米膜/薄膜是指在基底上具有纳米级厚度的薄膜，其结构形态可以是连续的，也可以是颗粒状的。

纳米线是一种形态独特的纳米材料，其直径在几十纳米到几百纳米之间，长度可以达到数十微米。

而纳米颗粒则是颗粒状的纳米材料，其尺寸一般在几十纳米至几百纳米之间。

其次，纳米材料的性能是由其特殊的结构决定的。

纳米材料的性能与其尺寸、形态、晶格结构及表面特性等密切相关。

首先，纳米材料具有较大的比表面积。

由于其尺寸小，纳米材料的单位质量表面积要远大于宏观材料，这使得纳米材料具有更多的活性表面，增强了其化学活性、催化性能和吸附能力等。

其次，纳米材料的能带结构与普通材料不同。

由于尺寸效应和限域效应的影响，纳米材料的能带结构发生量子尺寸效应和能带削弱现象，导致纳米材料具有独特的光电特性和电子输运性质。

此外，纳米材料的力学性能也受到了尺寸效应的显著影响，例如纳米线的强度和韧性都明显高于宏观材料。

除了以上结构与性能的关系，我们还需要关注纳米材料的制备方法和应用领域。

目前纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法和机械法等。

物理法包括溅射、凝聚等方法，可以制备出高纯度的纳米材料。

化学法则包括溶液法、气相沉积法等，能够制备出各种形貌和复杂结构的纳米材料。

生物法则是利用生物合成途径，通过微生物、植物或动物等生物体合成纳米材料。

机械法则是利用机械力进行纳米结构的制备，例如球磨、研磨等。

而纳米材料的应用领域十分广泛，包括催化、电子学、光电子学、生物医学、环境保护等。

纳米材料研究综述纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固态材料, 其晶粒或颗粒尺寸在1～100 nm 数量级, 主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成, 其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面, 晶界原子达15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子结构互不相关, 使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。

此外,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级。

高浓度界面及原子能级的特殊结构, 使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等, 导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药等诸多方面具有重要价值, 得到了广泛应用1 纳米材料研究的现状与特点1.1纳米材料研究的现状上世纪70 年代纳米颗粒材料问世, 80 年代中期在实验室合成了纳米块体材料,80 年代中期以后, 成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。

可大致分为3 个阶段;第一阶段(1990 年以前), 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体, 合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法, 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994 年前), 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料, 通常采用纳米微粒与纳米微粒复合, 纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从1994年到现在), 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。

1.2纳米材料研究的特点(1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。

纳米材料的结构与性能特性及其应用前景【摘要】文章简要地概述了纳米材料的结构和特殊性质、纳米材料的制备技术和方法以及纳米材料的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料在各个领域中的应用前景。

【关键词】纳米材料；结构；效应；性能；制备；应用；前景20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。

新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起人们的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"]1[。

1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。

纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。

纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。

狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。

2、纳米材料的结构特征纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用]2[。

在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。

纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。

晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来]3[。

纳米晶结构特征及其材料性能研究进展纳米技术是近年来备受关注的新型科技，纳米材料一般是由1～100nm之间的粒子组成的。

纳米晶是一类特殊的纳米粒子，由大量的随机取向的超微粒组成的具有规整原子排列的纳米粒子，是单个粒子特征维度尺寸在1～100nm级的晶体材料，每个粒子都是结构完整的小晶粒，相邻晶粒的取向关系是两个晶粒相对旋转加上平移而成的。

纳米晶是介于分子和凝聚态物质之间的一座桥梁。

一、纳米晶的结构特征纳米晶内部结构的高度均一，使纳米晶成为构筑纳米有序结构材料极具潜力的结构单元，并且由于纳米晶的粒径处于纳米级别的尺度，使之具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊的物理效应。

1.小尺寸效应。

纳米颗粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干波长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，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，纳米颗粒表现出新的光、电、声、磁等体积效应，其他性质都是此效应的延伸。

2.表面效应。

纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，随着粒径减小，表面原子数迅速增加，微粒的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。

由于表面原子数的增多，原子配位不足，导致纳米微粒表面存在许多悬键，表面活性很高，极不稳定，同时也引起表面原子电子自旋构象和电子能谱的变化。

3.量子尺寸效应。

当粒子尺寸下降到某一值时，金属材料的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，而半导体材料则能隙变宽，以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。

具体到不同的半导体材料，其量子尺寸是不同的，只有半导体材料的粒子尺寸小于量子尺寸，才能明显地观察到量子尺寸效应。

4.宏观量子隧道效应。

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。

纳米材料的结构与性质的研究纳米材料是具有特殊性质的新型材料，其广泛应用领域涉及电子、光电、材料科学等多个方面。

纳米材料的研究已经成为当前材料科学领域的热点之一。

纳米材料的结构与性质的研究是纳米材料研究的重要内容，下面我们就来了解一下关于纳米材料结构与性质的研究。

一、纳米材料的结构纳米材料的结构主要分为两种，一种是晶体结构，另一种是非晶态结构。

纳米晶体结构一般为多晶体或单晶体，其特点是具有非常高的比表面积和非常小的晶粒尺寸。

而非晶态结构则没有明显的晶体结构，这种结构的纳米材料常见于非晶材料、生物材料、玻璃材料等。

纳米材料的结构对其性质和应用表现有着至关重要的影响。

因此，对纳米材料的结构进行深入研究，对于优化其性能和提高其应用效果至关重要。

二、纳米材料的性质纳米材料与常规晶体材料之间的最主要区别在于其所特有的尺寸效应。

因为纳米尺寸与常规尺寸相比，纳米材料往往需要适应不同的物理和化学环境。

1. 机械性能纳米材料的机械性能是其最为重要的性质之一。

由于纳米材料具有非常高的比表面积、非常小的尺寸和表面缺陷等特点，纳米材料的强度、韧性、延展性等力学性质往往与常规晶体材料有所不同。

特别的，纳米氧化铝材料因其具有超高的比表面积，往往表现出很高的硬度和脆性。

纳米钛材料则表现出更大的韧性。

这些性质的不同还取决于所研究的具体粒子尺寸和形态。

2. 电性能纳米材料的电性能是另一个重要的特征。

由于其尺寸效应的影响，纳米材料的导电性、热电性等往往与常规晶体材料有着明显的差异。

在纳米材料中，电子的能级分布和能带结构以及电子的动力学行为都被尺寸效应所影响。

该效应通常会导致纳米材料呈现出不同的导电和热电性，例如，纳米银的导电性往往高于常规尺寸的银。

3. 光学性能纳米材料的光学性质也是纳米材料在应用中具有的明显优势之一。

许多纳米材料都表现出比常规材料更优越的光学性质，如，纳米晶体的荧光性质、纳米金的表面等离子体共振等等。

另外，这些材料往往还能被用作光学传感器、生物探针和照明等。