1 《纳米材料导论》复习题 2013.12 第一章 1、纳米材料有哪些危害性？ 答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。 纳米技术对环境的危害性：美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性。 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-7)到十亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：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在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。 5、纳米材料有哪 4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM 答：STM扫描隧道显微镜AFM原子力显微镜 SEM扫描电子显微镜XRFX射线荧光分析 TEM透射电子显微镜 7、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响 答：STM工作原理：扫描隧道显微镜是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持恒定的电流，依此来观测物体表面的形貌 STM对纳米技术的影响：它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率此外扫描隧道显微镜在2 低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 AFM工作原理：AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂会因为受到探针头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、静电力、磁力（见磁力显微镜）喀希米尔效应力、溶剂力等等。通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（如铝）以增强其反射通过惠斯登电桥，探头的形变何以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏。 AFM对纳米技术的影响：不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害，第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作，这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。 8、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理 扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距控制系统，使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离≤10Å时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1Å，电流就变化一个数量级左右移动探针或样品，使探针在样品上扫描。 原子力显微镜：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定另一端的针尖与样品表面轻轻接触当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10‐8‐‐10‐6N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系（遵循胡克定律）。 9、举例说明：常规能源、新能源、可再生能源、不可再生能源。 答：常规能源：指人类已广泛使用且开发利用技术比较成熟的能源，如煤、石油、天然气、水能和生物能等常规能源是目前全世界最主要的能源，占全部能源生产消费总量的90％以上 新能源：指传统能源之外的各种能源形式，即刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能（潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能）、生物质能和核聚变能等。 可再生能源：泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类历史时期内都不会耗尽的能源，但可再生能源不包含现时有限的能源如太阳能、地热能、水能、风能、生物能、潮汐能 不可再生能源：指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，叫“不可再生能源”如煤、石油、天然气、核能、油页岩。 10、纳米材料与传统材料的主要差别。 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象 11、纳米科技的分类 纳米科技从研究内容上可以分为三个方面： 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料是纳米科技发展的物质基础。 纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 纳米尺度的检测和表征。 12、纳米技术与微电子技术的主要区别是： 3 纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的，人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。 13、了解纳米技术提出的背景及发展过程 背景：1959年，美国物理学家R. Feynman发表“There’s Plenty of Room at the Bottom”的著名讲话。 1962年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo)提出针对金属超微粒子的著名的久保理论，即超微粒子的量子限域理论。 1981年，苏黎世IBM研究所G. Binnig和H. Rohrer发明研究纳米的重要工具‐扫描隧道显微镜，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； 1984年，德国萨尔大学的H. Gleiter等人首次制备纳米相材料。 1985年，H. W. Kroto, R. E. Smalley 和B. Curl发现碳60，1996年三人获诺贝尔化学奖 发展过程：1987年，Bell实验室的科学家发明了一种靠单电子作为电流开头的晶体管世界上第一个单电子晶体管诞生。 1988年，Dupont公司的科研人员W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个人为设计的蛋白质诞生了。 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； 1993年，第一个致力于纳米技术研究的实验室在美国Rice大学诞生。 1999年，美国耶鲁大学的科学家创造了单分子有机开关。 2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划(NNI)，NNI的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到普遍的接受自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮。 14、什么是纳米世界的“眼”和“手” 扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）， STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。 15、纳米科技之父：纳米科技的预言者——理查德∙费曼先生，1959年12月29日在美国应用物理年会上的讲话－ 《在底部还有很大空间》。主要内容有：如果有一天可以按人的意志排列一个个原子，世界将会发生什么呢？”； “就物理学家而言，一个一个原子地构造物质并不违背物理学规律。” ；“对大尺度的表观物质而言，微小原子的行为无足轻重，但它们都服从量子力学定律。因此当我们下到微观世界把原子胡乱拨弄一通时，我们将在不同的规律下工作，而且可以期望做出不同的事情。” ；“在原子水平上，我们面对着新的力和新的效应，材料的制造和生产问题将十分不同。” 16、与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个？ 1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜。 2010年：英国曼彻斯特大学科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖。 17、世界上第一个单电子晶体管何年诞生？（1987） 18、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生？（1988） 19、第一届国际纳米科技会议何年在哪召开？ 1990年7月，美国巴尔的摩。 20、首届纳米材料会议在哪召开？1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开。 第二章 1、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。 4 小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象。 表面效应：纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。因而极易与其它原子结合而趋于稳定； 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应。 宏观量子隧道效应：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。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 2、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因 熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加。 熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。 烧结温度降低原因：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，在烧结过程中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没因此，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 比热容增加：纳米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大（比常规块体） ，因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料高很多需要更多的能量来给表面原子的振动或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢。 3、激子的定义是什么？ 答：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。 4、试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因； A.纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方面： 1）量子尺寸效应：由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向, Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：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，这种解释对半导体和绝缘体都适用 2）、表面效应：由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明：第一近邻和第二近邻的距离变短,键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。 B吸收光谱的红移现象的原因 1）电子限域在小体积中运动，量子限域效应； 2）粒径减小，内应力（P=2g/r, r为半径，g为表面能）增加，这种内应力的增加会导致能带结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，这就导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移；
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摘 要一维二氧化钛纳米管由于其特殊的结构和优异的性能，在很多领域有重要的应用前景。二氧化钛纳米管的制备方法主要包括阳极氧化法、模板合成法以及水热合成等方法，其中阳极氧化法是一种简单制备高度有序二氧化钛纳米管阵列的重要方法。
本文在含氟的乙二醇电解液中采用恒压阳极氧化法在钛箔表面直接生成一层结构高度有序的高密度TiO2纳米管阵列。主要研究了阳极氧化条件(阳极氧化电压、反应时间、电解液组成)对制备TiO2纳米管阵列尺寸和形貌的影响, 探讨了多次氧化对纳米管形貌的改善。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对所得TiO2纳米管阵列的性能进行了测试分析。结果表明，TiO2纳米管为非晶态，在空气中经400℃退火处理转变为锐钛矿型，550℃退火开始出现金红石相态；TiO2纳米管的孔径主要由氧化电压决定，随阳极氧化电压的升高纳米管的孔径变大,
纳米管的长度随反应时间延长而增长；多次氧化可明显改善纳米管尺寸规整性,
孔径大小更均一。最后，根据测试结果对TiO2纳米管阵列的形成机理进行了简单分析。
关键词：二氧化钛纳米管 阳极氧化 稳压 有机电解质精品文档
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One-dimensional titania nanotubes have special structures and excellent
performances, which have important application in many fields. Nanotubes of titania
have been fabricated by many different methods such as hydrothermal treatment,
template-assistant deposition, anodic oxidation etc. Anodic oxidization is one of the
第二章纤维的结构特征 固态物质的结构有简单、有复杂，如均匀简单结构的玻璃、金属、塑料等，多为人工作为的 结果；而天然纤维、 生物体乃至人工作为的化学纤维、 微米或纳米结构的微机械系统 （MEMS 、
NEMS）结构极为复杂。其中纤维的结构是相当复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆 砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。本章介绍纤维的基本结构及典型纤维的结构特征。
第一节纤维的基本结构和构成
尽管纤维结构复杂， 但人们对其认识一般分为三个方面， 最为直观的纤维形态结构， 较为间 接的纤维聚集态结构和更为微观的纤维分子结构。 分别涉及形态学、 物理学和化学。 特别是 现有的形态观察已逼近微观的分子尺度，即化学家们讨论的对象。
一、纤维的形态结构
1、 基本内容
纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜乃至原子力显微镜（ AFM ）下能被
直接观察到的结构。 诸如纤维的外观形貌、 表面结构、断面结构、 细胞构成和多重原纤结构， 以及存在纤维中的各种裂隙和孔洞。
一般将形态结构按尺度和部位分为表观形态、 表面结构和微细结构三类。 表观形态， 主要 讨论纤维的外观的宏伟形状和尺寸， 包括纤维的长度、 粗细、截面形状和卷曲或转曲等。 表 面结构， 主要涉及纤维表面的形态及表层的构造， 是微观形态和尺度的问题， 微细结构， 是 指纤维内部的有序区（结晶或趋向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和 相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。
由于显微观察术的发展，微细结构的尺度已覆盖了纤维晶区的的一般尺寸（ 20~200nm ） ，
并可达到 1nm 尺度，甚至 0.1nm（A 0级） 。因此，聚集态结构和分子结构的内容，已可或将可 在以观察学为基础的纤维微细结构中讨论。 纤维是柔软细长物， 其微细结构的基本组成单元 大多为细长纤维状物质，统称为原纤（ fibril），故纤维微细结构的主题内容是纤维的原纤结
第一章
1、纳米科学技术概念
纳米科学技术是研究在千万分之一米10–7到十亿分之一米10–9米内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,又称为纳米技术;
2、纳米材料的定义
把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料;即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料; “功能”概念,即“量子尺寸效应”;
3、纳米材料五个类维度
0维材料,1维材料,2维材料,体相纳米材料,纳米孔材料
4、0、1、2维材料定义、例子
0维材料—尺寸为纳米级100 nm以下的颗粒状物质;
富勒烯、 胶体微粒、半导体量子点
1维材料—线径为1—100 nm的纤维管;
纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝
2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜;
薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜
5、纳米材料与传统材料的主要差别
尺寸：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上;
比如说纳米尺度的颗粒,或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内;
性能：第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等,使材料在物理和化学上表现出奇异现象;
比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料;
6、金属纳米粒子随粒径的减小,能级间隔增大
7、与块体材料相比,半导体纳米团簇的带隙展宽,展宽量与颗粒尺寸成反比
8、纳米材料的四大基本效应
尺寸效应,介电限域效应,表界面效应,量子效应
9、什么是量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时,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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道HOMO和最低未被占据分子轨道能级LUMO,能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应;
10、什么是小尺寸效应
当超细颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度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；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应;11、什么是表界面效应
