第十四章 纳米材料优秀PPT文档

随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面 积急剧变大所致．例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g， 粒径为5nm时，比表面积为180m2／g，粒径下降到2nm，比表 面积猛增到450m2／g．这样高的比表面，使处于表面的原子数 越来越多，同时，表面能迅速增加，
• 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这 些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合
STM恒电流扫描模式示意图
原子操纵术
(Atomic manipulation)
通过STM针尖，除了能帮助我们了解物质表面的几何构 造、电子性质外，更有一些应用，原子操纵术便是其一。原 子操纵术的原理是在形成隧道电流时，由于针尖和样品表面 距离很近（约1 nm），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生 的电场（偏压／距离）却由于距离很小而变得很大。因此原 子在受到针头电场的吸引而被略拉离表面，此时即可将原子 沿表面移到想要的位置，再将针尖缩回，则原子便可留在新 的位置。
（2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细 微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时 尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064 ℃，当颗粒尺寸减小到10纳 米尺寸时，则降低27℃，减小到2纳米尺寸时的熔点为327℃ 左右。
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的 粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如, 在火箭发射的固体 燃料推进剂中添加l％重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的 燃烧热可增加 l 倍。
第十四章 纳米材料
14.1 概述
1、引言 •21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新 材料代表了高新技术发展的方向。在信息产 业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术 引起了世界各国政府和科技界的高度关注， 这就是纳米科技。
1990年7月在 巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学 术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公 布于世。
1981 年，在瑞士苏黎世 IBM 实验室的Binnig 和 Rohrer 兩位科学
家发明了STM，并获得1986 年诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy)
STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直 分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间 的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜 下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。
纳米材料的发展大致可以划分为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)，研究评估表征 的方法。
第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已 挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。
0-0复合, 0-2复合, 0-3复合
1. 表面效应
球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积 （V）与D3成正比，故其比表面积（A／V）与直径成反比。 D ， A／V ，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对 直径大于 微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 微米时， 其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可 高达100米2，这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不 同的。
隧道电流I可以表示为：
由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关 系，所以，电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏 感。如果此距离减小仅仅nm，隧道电流I将会增加10倍；反 之，如果距离增加nm，隧道电流I就会减少10倍。
Constant Hight Mode STM恒高度扫描模式示意图
因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维 的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。
3. 纳米块体材料
是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体材 料，又叫纳米结构材料。 具有三个显著特征： •尺寸小于100 nm的原子区域 •显著的界面原子数 •组成区域间相互作用 按照纳米尺度物质单元的结构状态，可分为： 纳米晶材料、纳米非晶态材料、纳米准晶态材料 按照组成相的数目，可分为： 纳米相材料、纳米复合材料
简单的说就是利用无数的纳米碳管尖端放电，来取代传统阴极射线管中的电子枪，它不仅保留了传统阴极射线管电视优秀的影像品质 ，而且能源消耗低，整個荧幕的厚度可以從阴极射线管的50cm压缩到1cm，重量也大幅减轻。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。 照理说荷叶的基本化学成分是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。 将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。 STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0. 塑料制品容易老化变脆，如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300－400nm范围有较强的紫外吸收性能，这 样就可以防止塑料老化。 鹅毛和鸭毛是防水的。 STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。 亦有报导指出，C60球内可填充金属元素，未来可利用其中空构造来携带药物。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。 按照组成相的数目，可分为： 它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携带有用的分子。 （4）特殊的力学性质
寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈 黑色。事实上，所有的金属在超微颗 粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜 色愈黑。
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约 几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将 太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红 外隐身技术等。
1991年春的海湾战争， F－117A型隐身战斗机外表所包 覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的 电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成 功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
4. 纳米组装体系：
关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法， 根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠 内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体 系，二是纳米结构自组装体系，统称为纳米尺度的图案材 料(Patterning materials on the nanometer scale)。
第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系的研究。它的基本 内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和 三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。
纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种长度计量单位。
1 m = 103 mm = 106 m =109 nm =1010 Å
纳米科技将会掀起新一轮的技术浪潮，领导下 一场工业革命。人类将进入一个新的时代----纳米科技时代。 （6）宏观量子隧道效应
“What would happen if we could arrange the atoms one-by-one the way we want them?”
球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积（V）与D3成正比，故其比表面积（A／V）与直径成反比。 超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 (2)一维，在空间有两维处于纳米尺度； （6）宏观量子隧道效应 材料世界中的大力士—纳米金属块体 球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积（V）与D3成正比，故其比表面积（A／V）与直径成反比。 关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大 致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系，统称为纳米尺度的图案材料(Patterning materials on the nanometer scale)。 例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生 向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。 因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。 纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作 。 纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。
纳米机器人在疏通血管
2. 纳米材料：
广义地，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。如果按维数，纳 米材料的基本单元可以分为三类： (1)零维，在空间三维尺度均在纳米尺度； (2)一维，在空间有两维处于纳米尺度； (3)二维，在三维空间中有一维在纳米尺度。
通过原子操纵术得到的各种量子围栏（Quantum corral）
1990年 IBM的两个科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖拽，逐颗将 35颗原子排成"IBM"三个英文字母
将 铁 (Fe) 原子于 铜 (Cu) 表 面排列成"原子"二字 ，汉 字的大小只有几个纳米。
14.2 纳米材料的特异效应
（3） 特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块的纯 铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时， 其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大约小于 6纳米 时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密 度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙 等。
纳米结构的自组装体系
所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的 非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原 子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结 构的花样。
人工纳米结构组装体系
所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物理和 化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成 一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系 和介孔复合体系等。这里，人的设计和参与制造起到决定性 的作用。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 从正二十面体出发，去理解 C60 的几何形状。
研究所在“杀人蜂”背后贴上微芯片和红外发射器以追踪监视
微型汽车
微芯片的放大照片。
由于纳米机器人
可以小到在人的血管 中自由的游动，对于 象脑血栓、动脉硬化 等病灶，它们可以非 常容易的予以清理， 而不用再进行危险的 开颅、开胸手术。纳 米仿生机器人可以为 人体传送药物，进行 细胞修复等工作 。
金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在 空气中会吸附气体，并与气体进行反应。
下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。如图所示的是 单一立方结构的晶粒的二维平面团。
2. 小尺寸效应
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小 尺寸效应。如下一系列新奇的性质：
（1） 特殊的光学性质 当 被细分到小于光波波长的尺
硅(111)面原子重构象
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy)
STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度 的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针 尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用 下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现 象即是隧道效应。
加利福尼亚大学治伦兹伯克力国家实验室的科学 家在Nature上发表论文，指出纳米尺度的图案材料 是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见， 纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前 沿主导方向。
“There is plenty of room at the bottom.” -R.P. Feynman, (Dec 29, 1959).
利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁 性液体。
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶以及生活在水中的趋磁细菌 等能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一 个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富 的水底。