纳米功能材料理论基础

纳米材料综述功能材料与应用论文（已处理）纳米材料综述摘要概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.1、纳米材料的基本概念纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级 0.11 nm, 100nm 的超微粒子纳米微粒及由其聚集而构成的纳米固体材料。

纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。

其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。

另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。

纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:1 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;2 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。

2、纳米材料的性质2.1、纳米微粒的结构和特性纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。

由于纳米粒子具有壳层结构。

粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。

纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。

纳米磁性功能复合材料摘要：磁性功能材料一直是国民经济和军事领域的重要基础材料。

早在1930年，Fe3O4 微粒就被用来做成磁带；此后，Fe3O4粉末和粘合剂结合在一起被制成涂布型磁带；后来，又采用化学共沉淀工艺制成纳米Fe3O4磁性胶体，用来观察磁畴结构。

20世纪60年代磁性液体的诞生亦与此有着密切的关系。

如今，磁性功能材料广泛的应用于通信、自动控制、电信和家用电器等领域，在信息存储、处理和传输中已经成为不可缺少的组成部分，尤其在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。

面对纳米科技的发展浪潮，磁性材料无论在研究领域还是在应用领域，都已取得了长足的进步。

在磁性材料方面，量子理论的发展与磁性材料的结合，使得磁性材料的发展进入材料设计阶段。

正文：纳米磁性功能复合材料一、纳米磁性功能复合材料的定义。

<1>、磁性复合材料：以高分子材料为基体与磁性功能体复合而成的一类功能材料。

常用的磁性材料主要有铁磁性的软磁材料和硬（永）磁材料。

软磁材料的特点是低矫顽力和高磁导率。

硬磁材料则表现在高矫顽力和高磁能积。

除了上述磁性材料外，尚有铁磁材料和反（逆）铁磁材料。

<2>、纳米材料：尺度为1~100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。

它具有断裂强度高、韧性好、耐高温等特性。

<3>、纳米复合材料：分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。

二、纳米磁性微粒的磁学特性。

<1>磁畴结构:磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。

所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的为零磁距，它也就不能吸引其它磁性材料。

纳米材料的热力学性质研究随着科技的不断进步以及人们对高效、多功能材料需求的增加，纳米材料所展示出的性能优势越发显著。

纳米材料不仅具备优异的物理、化学性质，其独特的热力学性质也成为同类材料的难以匹敌之处。

热力学性质的研究不仅有助于深入探究纳米材料的本质特性，而且能够为这些材料的应用提供更加准确的理论基础。

本文将就纳米材料的热力学性质研究展开探讨。

一、纳米材料的热力学性质的特殊之处纳米材料由于其结构的特异性和规模的小型化，具备独特的热力学性质，表现在以下几个方面：1、增大的表面积纳米材料由于体积小、表面大，因此表面和体积之比较高。

表面与周围物质的交互作用非常强烈，使得纳米材料的表面活性远高于同种材料的宏观晶体。

2、大量的表面结构缺陷由于纳米材料表面积很大，材料表面附近存在大量的表面缺陷，这些缺陷会对纳米材料的热力学性质产生影响。

例如，在温度较高时，表面缺陷会导致熵的增加，从而使得纳米材料的热容和热导率发生变化。

3、变化的化学反应动力学纳米材料表面活性增强，表面化学反应动力学和热可逆性也会发生变化。

当纳米材料受到热能激励时，其表面化学反应常常具有更高的速度和更大的可逆性。

二、热力学性质的研究方法纳米材料的热力学性质的研究方法包括如下几种：1、热敏感物性测量纳米材料的热敏感物性（如热容、热导率、热膨胀等）通常采用热敏感物性测量技术进行表征。

常见的热敏感物性测量仪器包括热差式微量热计、激光闪烁法、电热法、多频率热导率仪、高温热膨胀仪等。

2、热力学参数计算可以通过计算模拟的方式，计算出纳米材料在特定温度下的热力学参数。

这种方法适用于已经有高精度材料晶体结构参数的纳米材料。

3、分子动力学模拟分子动力学模拟可以通过模拟原子或分子的微观结构运动来计算纳米材料的热力学参数。

这种方法适用于未知或复杂纳米材料的热力学参数计算。

三、热力学性质的研究进展1、热容纳米材料的热容随颗粒大小的减小而降低，这意味着纳米材料在相同温度下所储存的热能要比宏观材料少。

材料科学1、纳米材料导论（选修课）绪论0.1纳米科技的兴起1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出:“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实.目前，人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能。

这就是面向21世纪的纳米科学技术。

0．2纳米材料的研究历史人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。

宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限（肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。

到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解,一些学科领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间科学等。

微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。

19世纪末到20世纪初,人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。

建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。

相对而言,在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地".近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质,也不同于微观体系的奇异现象。

下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。

1 000年以前。

当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。

中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成.1861年，随着胶体化学（colloidchemistry）的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。

但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。

纳米材料的结构及其性能摘要：介绍了纳米材料的基本概念，纳米材料基本组成单位，四个效应及相关纳米材料的性能。

关键词：纳米材料结构性能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，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。

1999年12月14日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）致函克林顿，极力推荐美国国家科学和技术委员会（NSTC）的提议，即从2001年度财政预算中开始实施"国家纳米技术推进计划"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林顿的高度重视。

2000年1月2日，克林顿签发执行令，决定将NNI 列为美国科技领域最优先发展的计划，并在2000年度财政预案中专为此项计划追加2.25亿美元，与2000年度相比增加了84%。

美国政府这一举措引起了世界范围的广泛关注，新一轮科技竞争已经在或明或暗的气氛中形成，纳米或纳米技术背后隐藏着的巨大商机开始显现，有资料表明，1999年全球纳米技术的生产值达500亿美元，预计到2010年将达到14400亿美元。

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。

在英语里纳米用nano 表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。

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。

纳米薄膜材料引言：随着社会生产的发展，仅以强度为主要功能的结构材料越来越不能满足人们的需要，而功能材料的出现弥补了这一不足。

功能材料是指除强度外，以其他功能（电、磁、声、光、热等）为主要功能的材料的总称。

即为满足某些特定的物理和化学性能要求而制造的材料，就是功能材料。

如，电功能材料，磁功能材料，光功能材料，超导材料，储氢材料，形状记忆合金，非晶材料、纳米材料和生物医学材料等等。

纳米材料作为功能材料的一种，较其他材料其具有更为优异的物理化学特性及发展潜力，正在不断的吸引着世界的目光。

而且随着电子工业的迅速崛起，使得纳米薄膜材料和技术变得越来越重要，特别在集成电路微型化和微电子方面。

一纳米材料1 定义及分类从狭义上，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。

广义上，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或由它们作为基本单元构成的材料。

按维数，纳米材料的基本单元一般分为三类：○1零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；○2一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等；○3二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如薄膜，超晶格等。

2 纳米粒子的特性（1）小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，电子被局域在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，能级产生分裂，这使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能发生新奇的改变。

如金属纳米材料的电阻随尺寸的下降而增大；金属熔点明显降低；10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm矫顽力变为零，表现为顺磁性等。

（2）表面效应纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占的原子数目大大增加。

例如，当粒子粒径从100nm减小到1nm，其表面原子占粒子中原子总数从20%增加到99%。

庞大的比表面，使得键态严重失配。

纳米材料自动化11-12班刘湘澎04111497纳米材料著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。

他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。

”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。

”[1]1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

[2]2 纳米知识介绍2.1纳米纳米（Nanometer），是一种长度单位，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。

2.2纳米技术纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。

其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。

纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。

研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。

第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料：•纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，•纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，•纳米复合薄膜(0-2复合)。

第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。

它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。

材料科学中的纳米科技与功能材料纳米科技是近年来在材料科学领域中迅速发展的一个分支。

由于新材料的开发可以带来各种新特性，纳米材料成为了许多研究的对象。

纳米结构的颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小。

此外，材料的表面积是与其特性密切相关的重要指标。

因此，纳米材料在表面积和相对大小上具有显著的差异。

纳米科技的发展趋势是在数学，物理和化学等领域的交叉结合下发展出新材料，新能源和新技术。

一、纳米材料的基本特性纳米材料具有以下一些典型的特性：1.纳米材料可以更好地利用资源。

由于纳米颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小，因此可以应用于催化，吸附和储存等方面。

因此，可以更好地用于污染物处理，超级电容器，太阳能电池和锂离子电池等领域。

2.纳米材料的表面积比一般物质大得多。

例如，三维球的表面积是4πr²，而纳米颗粒就是更大的值。

这样，当我们使用纳米颗粒时，表面积也会显著增加。

当我们使用更高的表面积时，它也将显著增加。

3.纳米材料表现出完全不同的化学和物理特性。

例如，当纳米颗粒的大小发生变化时，光的吸收和反射也会发生变化。

同时，物理特性也会发生变化，例如电子的传输或热的扩散。

二、纳米技术在新材料的开发中的应用1.新材料中的纳米材料的制备和应用纳米材料已经应用于实际生产中，例如光催化材料，高效电极材料和向导材料（导电材料）。

在这些应用中，纳米颗粒的特性发挥了极大作用。

2.纳米技术在燃料电池中的应用燃料电池是一种能够直接将化学能转化为电能和热能的电池。

其中，纳米技术的应用已经在燃料电池领域中有所突破。

纳米颗粒的表面积和催化特性显著影响着燃料电池的性能。

通过对纳米粒的表面处理，表面活性可以调节，从而提高纳米颗粒的催化活性，从而提高燃料电池的效率。

3.纳米技术在太阳能电池中的应用太阳能电池是将太阳光能转化为电能的一种技术，其主要原理是利用半导体材料的光电效应进行电子传输。

纳米技术也在纳米材料和太阳能电池技术中发挥了重要作用。

材料科学中的纳米结构和功能材料材料科学在现代工业中扮演着非常重要的角色。

不同的材料具有不同的物理和化学性质，因此可以根据需要来选择材料。

近年来，材料科学中的研究重点已经由大型宏观材料转移到了纳米结构和功能材料。

本篇文章将介绍材料科学中的纳米结构和功能材料的基础知识以及研究进展。

一、什么是纳米结构纳米结构通常是指尺寸小于100纳米的材料。

根据纳米结构的形状和组成，它们可以具有不同的物理和化学性质。

例如，比起宏观物质，纳米颗粒的比表面积更大，因此具有更强的表面反应性。

此外，纳米结构的特殊大小也会导致它们的光学、电学、磁学和机械性质不同于宏观材料。

这些具有特殊性质的材料被称为“纳米材料”。

二、纳米结构的制备方法纳米结构的制备方法有很多种。

下面列举其中几种制备方法。

1.气相沉积法气相沉积法是一种通过高温下沉积气体分子来制备纳米颗粒的方法。

通常，气相沉积法可以分为热蒸发法、热滴 deposition 法和化学气相沉积法。

通过气相沉积法可以制备出成规模的高质量纳米颗粒。

2.溶液法溶液法是一种通过化学和物理反应来制备纳米结构的方法。

通常，这种方法涉及两个化学反应。

首先，起始材料（通常是金属盐或金属氧化物）溶于溶剂中。

随后，将一种还原剂加入溶液中，通常是一种强还原剂，以将起始材料还原成金属颗粒。

3.电化学合成电化学合成是一种制备纳米结构的方法，在这种方法中，金属离子会在电极表面被还原成金属颗粒。

这种方法非常灵活，可以通过控制电位和沉积时间来得到不同形状和组成的纳米颗粒。

三、功能材料功能材料是指具有特殊功能的材料，例如具有比常规材料更好的导电、光学或机械性能的材料。

功能材料可以分为多种类型，以下是其中几种。

1.半导体材料半导体材料被广泛用于电子学和光电学领域。

这种材料可以将电的传导性质的调节在导体和绝缘体之间，这种特性使半导体材料广泛应用于电子元件和光电器件中。

2.光电材料光电材料集导电、光学和电学特性于一身。

这种材料可以将光能转换为电能，或将电能转换为光能，因此可以用于制造太阳能电池、荧光灯等电子器件。

纳米材料原理
纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。

纳米
材料具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在材料科学、物理学、化学、生物学等领域具有广泛的应用前景。

纳米材料的研究和应用已经成为当今科学研究的热点之一。

首先，纳米材料的特殊性质源于其尺寸效应。

当材料的尺寸减小到纳米尺度时，其表面积和界面效应将显著增强，从而导致材料的物理、化学和生物学性质发生显著变化。

例如，纳米材料的光学、电子、磁学、力学等性质将与宏观材料有所不同，这为纳米材料的应用提供了新的可能性。

其次，纳米材料的制备和表征技术是纳米科学研究的关键。

纳米材料的制备技
术包括物理方法、化学方法、生物方法等多种途径，如溅射法、溶胶-凝胶法、化
学气相沉积法、生物合成法等。

而纳米材料的表征技术包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射等多种手段，这些技术的发展为纳米材料的研究和应用提供了重要的支持。

另外，纳米材料的应用领域包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米生物学、纳
米医学、纳米能源等多个领域。

例如，纳米材料可以应用于柔性电子器件、光催化剂、生物传感器、药物载体、锂离子电池等方面，展现出广阔的应用前景。

同时，纳米材料也面临着诸如生物安全性、环境友好性、大规模制备等挑战，这些问题需要进一步的研究和解决。

总的来说，纳米材料是一种具有特殊性质和广泛应用前景的材料，其研究和应
用已经成为当今科学研究的热点之一。

随着纳米科学技术的不断发展，纳米材料必将在材料科学、物理学、化学、生物学等领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出重要贡献。