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. .word.zl. 纳米材料与纳米技术
理学院物理系 010070126 X云霞
摘要：纳米技术已开展成为一门多学科穿插与渗透的新兴学科。本文简单介绍了纳米的概念，以及纳米材料的特性和各领域的应用。
关键词：纳米技术；纳米材料；应用；进展
第一节 纳米的概念
1、1 纳米的定义
如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围。目前人类能够研究的物质世界的最大尺度是1025m〔约10亿光年〕，这是我们已观测到的宇宙大致范围，人类所研究的物质世界的最小尺度为10-19m〔0.1阿米〕。
纳米技术中的“纳米〞为10-9m，用符号表示为nm，是lmm的100万分之一，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串在一起的长度〔原子的直径为0.1-0.3nm，研究小于10-10m以下的原子内部构造属于原子核物理、粒子物理的.
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. .word.zl. 范畴。〕
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=106 μm=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。
第一次作业
1简述纳米材料科技的研究方法有哪些？
答：主要有两种技术：Top down（由上而下）的方法和 Bottom up（由下而上）的方法（2 分）； Top down 由上而下的方法是一种采用物理和化学方法对宏观物质的超细化的纳米科技的研究方法。Bottom up 由下而上的方法，以原子、分子、团簇等为基元组装具有特定功能的器件、材料。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。
2纳米材料的分类？
纳米材料通常按照维度进行分类。
超细粒子，团簇 → 0 维材料
纳米线或管 → 1 维纳米材料
纳米膜 → 2 维纳米材料
纳米块体 → 3 维纳米材料
第二次作业
1在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？
答：量子尺寸效应使纳米光学材料对某种波长的光吸收带有蓝移现象，纳米粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象，纳米微粒紫外吸收材料就是利用这两个特性。对紫外吸收好的材料有三种：TiO2 纳米粒子的树脂膜、Fe2O3 纳米微粒的聚合物膜和纳米Al2O3 粉体。 大气中的紫外线在 300~400nm 波段，在防晒油、化妆品中加入纳米微粒，
对这个波段的紫外光线进行强吸收，可减少进入人体的紫外线，起到防晒作用。
2解释纳米材料熔点降低现象。
答：晶体的自由表面和内界面（如晶界、相界等）处原子的排布与晶体内部的完整晶格有很大差异，且界面原子具有较高的自由能。因此，熔化通常源于具有较高能量的晶体表面或界面。晶粒尺寸减小，使各种界面增多、表面积增大，熔化的非均匀形性位置增多，从而导致熔化在较低温度下开始，即熔点降低。
第三次作业：
1纳米材料有哪些基本效应？试举例说明。
答：纳米材料基本效应有尺寸效应、形状效应、量子效应和界面效应。其中尺 寸效应和形状效应是纳米材料最重要的基本效应。
⑴ 米材料具有强烈的尺寸效应
所谓尺寸效应就是当纳米材料的组成相的尺寸如晶粒的尺寸、第二相粒子的尺寸减小时，纳米材料的性能会发生变化，当组成相的尺寸小到与某一临界尺寸相当时，材料的性能将发生明显的变化或突变。 例如：α-Fe、Fe3O4、α-Fe2O3的矫顽力随着粒径地减小而增加，但当粒径小于临界尺寸时它们将由铁磁体变为超顺磁体，矫顽力变为零。库仑阻塞效应是纳米材料具有尺寸效应的又一实例。 纳米材料的尺寸效应还涉及纳米结构的稳定性，当纳米结构的尺寸小于某一临界尺寸时就要发生纳米晶向非晶态
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第一章
纳米科技：纳米科学（nanoscience）、纳米技术（狭义的nanotechnology）以及纳米工程（nanoengineering）的统称，是研究、开发、利用纳米尺度物质的一门新型的应用型学科，具有多学科交叉的特征。
（1）纳米科学：探索与发现物质在纳米尺度上所表现出来的各种物理、化学与生物学现象及其内在规律，尤其是原子、分子以及电子在纳米尺度范围的运动规律，为纳米科技产品的研发提供理论指导。
（2）纳米技术：主要包括纳米尺度物质的制备、复合、加工、组装以及测试与表征，实现纳米材料、纳米器件与纳米系统在原子、分子尺度上的可控制备，为纳米科技的应用奠定基础。
（3）纳米工程：包括纳米材料、纳米器件、纳米系统以及纳米技术设备等纳米科技产品的设计、工艺、制造、装配、修饰、控制、操纵与应用，推动纳米科技产品走向市场、有效地服务于经济社会。
纳米材料的定义
（1）纳米尺度：1nm到100nm范围的几何尺度；
（2）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米粒子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等；
（3）纳米材料：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。
纳米材料按几何特征---维数可分为
1.零维一维二维三维
纳米材料的主要特征在于其外观尺度，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是目前流行的纳米材料分类方法，可分为零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料和三维纳米材料（表1.1）。其中零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料可作为纳米结构单元组成纳米固体材料、纳米复合材料以及纳米有序结构。
第二章
久保理论两点主要假设：
（1）简并费米液体假设
（2）超微粒子电中性假设
1．量子尺寸效应:当粒子的尺寸下降到某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒中最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级间隙变宽的现象。
