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《纳米材料概论》教学大纲
课程名称：纳米材料概论
英文名称：Introduction to nanomaterials
课程编号：
课程学时：36
课程学分：2
课程性质：专业选修课
适用专业：应用化工技术、环境监测与治理技术、材料加工技术等
大纲执笔人： 王晓华
一、课程的性质、任务与基本要求
1.本课程的性质与任务
纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。该课程是材料学、材料物理与化学或材料加工工程等专业学生的一门专业选修课程。本课程的目的是通过课堂教学、课堂讨论使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围；掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展。培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。
2.课程的基本内容和要求
本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。 2 / 5 3.教学环节与学时分配
课堂教学：32学时（包括课堂讨论等教改环节）
实验：4学时
总计：36学时
二、教学内容与教学计划
绪论 1学时
纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法
第一章 纳米材料的基本概念与性质 7学时
纳米材料在现实生活中的应用
提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米技术，可能很多人并不一定清楚.著名的诺贝尔奖获得者 Feyneman在 20世纪
60年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化.他所说的材料就是现在的纳米材料。
纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，简写是nm,1纳米是1米的十亿分之一;相当于45个原子排列起来的长度.通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细.就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。纳米技术，是指在0.1～100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中,发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出,纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。然而我们将就纳米技术在现实生活中的应用来看看纳米技术的应用前景.
关于纳米技术在显示生活中的应用主要就是纳米材料的应用,关于纳米材料有很多种，其在生活中的存在和应用也很普遍. 纳米材料的莲花效应。莲花虽生长于池塘的淤泥中，但它露在水面上的莲花荷叶却出污泥而不染，美丽而洁净，它可说是运用自然的纳米科技来达成自我洁净的最佳实例。照理说荷叶的基本化学成分？多醣类的碳水化合物，有许多的羟基(—OH）、（—NH)等极性原子团，在自然环境中很容易吸附水分或污垢.但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。经过科学家的观察研究,在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙.原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑.而此细致的表面的结构与粗糙度？?微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质,这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触.液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面,这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面「自我洁净」的奥妙所在.利用了莲花效应,中国是在世界上第一个做出仿荷叶结构的防水纳米布的国家，是中科院化学所做出来的.用颗粒大小为20纳米左右的聚丙烯水分散液，浸轧，光照.使颗粒粘结在纤维表面上，形成凸凹不平的表面结构，成为双疏材料，即疏水又疏油。用油或水往这种布上倒，都不会浸湿，也不会玷污.我们用这种材料做成衣服，就会防水。如果用这种材料处理玻璃，做成表面凸凹不平的结构，看起来没有任何问题，但不会结雾,不会沾水。可以从荷叶超强的疏水性，我们可以制作类似荷叶上有纳米材料的雨伞，就像“荷叶面”雨伞,撑雨疏水,抖水即干，不必担心带到室内会滴水了。 常见纳米材料
近一段时间以来，纳米材料一词频频出现在报端，专家学者中不断有人写文章，接
受采访，畅谈纳米材料的灿烂前景；很多高校、科研机构加大了对纳米材料的开发
力度；聪明的商家也在商品的广告中打出纳米牌，纳米冰箱、纳米洗衣机、纳米保暖内衣纷纷登场。甚至连“纳米股”也将成为股市中的一个新的板块。那么到底什么
是纳米材料，它与普通材料相比，为什么有那么神奇？它的开发前景又将如何？ 其
实，纳米（nm）是个长度单位（1nm10-9m），原子的直径在零点几纳米左右，蛋
白质的分子一般也不会超过20nm。所谓的纳米材料，是指制备的材料的颗粒尺寸在1—100nm的范围内。为什么材料的颗粒尺寸在上述范围内时，材料就会有一些奇特的性能呢？这还要从物质的构成谈起。讲到物质的构成时，人们常常认为构成物质
的所有原子（或离子分子）都是按图1所示的方式排列的，但这是一种非常理想的排
列方式，是以晶体具有完美的周期性结构为基础的，即组成晶体的所有原子或离子
都排列在晶格中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。晶格
中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来杂质；几个子晶格的格点数之比符合化学式计量数之比。然而实际的晶体在形成时，常常会遇到一些不可
避免的干扰，造成实际晶体的一些差异。例如，晶体在形成时，常常是许多部位同
时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小的晶粒按不同的规则排列组合起来
的多晶体；以及在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入
等。这些晶体中原子或离子的排列偏离完整的晶体周期性的区域我们称之为缺陷。按缺陷在空间的几何构形可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。他们分
别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述，每一类缺陷都
会对晶体的性能产生很大的影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，
而线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 1980年的一天，德国物理学家格兰特
（Gleiter）驾驶汽车独自横穿澳大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独，使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶体物理研究的科学家，此时此刻，一个长期思考的问
什么是纳米？
※ 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。
※ 纳米科学技术(Nano-ST):研究尺寸在1--100纳米尺度上物质微粒（包括原子、分子）的结构、表征、性质及其相互作用，探索新现象和新特性（物理、化学和生物），并通过在该尺度上控制物质，创造新功能材料、新器件和系统的多学科科学技术。
※ 纳米科技概念的提出
Richard P.Feynman, 1959
※纳米科技的科学意义
（1）纳米科技将促使人类认知的革命
首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域， 也是一片新的研究疆土。
其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。
再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。
这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。
(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命
纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.
※纳米技术的应用及其前景 （了解大标题）
1. 纳米技术在陶瓷领域方面的应用 2. 纳米技术在微电子学上的应用3. 纳米技术在生物工程上的应用4. 纳米技术在光电领域的应用5. 纳米技术在化工领域的应用6.
纳米技术在医学上的应用 7. 纳米技术在分子组装方面的应用
※1. 基本概念
1.1 纳米材料
广义地讲，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具有特殊性能的材料。
纳米材料的分类
如果按维数，纳米材料可以分为以下三类：
（1）零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。
