纳米材料概论
纳米科技概论第一章纳米材料的基本概念与性质.
状。
是由类似石墨的碳原子六边
形网格所组成的管状物，它
一般为多层，直径为几纳米 至几十纳米，长度可达数微
米甚至数毫米。
因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制 方面有着重要的应用前景： 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 纳米器件 超大集成电路(ULSIC)中的连线 光导纤维 微电子学方面的微型钻头 复合材料的增强剂等 目前关于一维纳米材料 (纳米管、纳米丝、纳 米棒等)的制备研究已有大量报道。
C60特性 笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多 表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定 具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 制备C60常用的方法： 采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。
多元原子团簇有Vn(C6H6)m等．
原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学 键结合形成的化合物
C60的结构： C60(富勒烯) 由 60个碳原子排 列而成的32面 体，其中20个 六边形，12个 五边形，其直 径为0.7nm。
幻数：构成碳团簇的原子数 幻数为20，24，28，32，36，50，60，70,90具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。
第一章 纳米材料的基本概念与性质
基本内容
1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性
1.1 纳米材料的基本概念
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或由他们作为基本单元构成的材料。
纳米材料概论
纳米材料概论
纳米材料作为几个世纪以来研究的一个全新领域，近年来得到了广泛的关注。
它是具有特定行为和物理性质的物质，其尺寸通常在纳米级别（即10的负九次方米）范围内，但也可以说是至少在一个尺寸维度上具有纳米级别的尺寸。
纳米材料可以用许多不同的分类方式来描述，其中一种是根据其形态、大小或原子排列方式而进行分类。
例如，颗粒纳米材料，如纳米金粒子，可能是由几百甚至几千个原子组成的球形粒子。
另一方面，非球形的纳米材料，如纳米管、纳米线和纳米晶体，则可能具有各种不同的形状和尺寸。
纳米材料的许多独特性质源于其小尺寸。
例如，由于它们的高比表面积，纳米颗粒比宏观颗粒具有更高的化学反应速率。
此外，纳米材料在光学、电学和磁性等方面也比其大尺寸对应物具有更多的属性。
纳米材料的制备方法也非常多样化。
一种常见的制备方法是溶剂热法，该方法涉及将金属盐或其他化合物溶解在有机或无机溶剂中，并在高温下形成金属或化合物纳米粒子。
其他制备方法包括化学气相沉积、溶胶-凝胶法和立方晶生长法等。
纳米材料在许多不同领域中都有广泛应用。
例如，在材料科学中，纳米结构可以用于制造更强的金属和陶瓷以及更高效的催化剂。
在医学和生物学中，纳米颗粒被广泛应用于药物递送和细胞成像。
在电子学和通信领域，纳米晶体被用于制造更小、更快的计算机处理器和通信设备。
虽然纳米材料的应用前景非常广阔，但它们的制备和使用也存在一些潜在的问题和风险。
例如，由于纳米颗粒具有非常小的尺寸，它们很容易进入人体内部，并可能对健康产生影响。
此外，纳米材料的毒性和环境影响还需要进一步研究和评估。
纳米材料概论复习要点
一、1、纳米科技：研究由尺寸在0.1—100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
2、纳米固体材料：又可称为纳米结构材料或纳米材料，它是由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子凝聚而成的三维块体。
3、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，以及纳米半导体微粒存在比连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象。
4、表面效应：表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
5、宏观量子隧道效应：某些宏观量如颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等具有贯穿势垒的能力，称为宏观量子隧道效应。
6、纳米材料（广义）：晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料。
7、原子团簇：由多个原子组成的小粒子。
它们比无机分子大，但比具有平移对称性的块体材料小，它们的原子结构(键长、键角和对称性等)和电子结构不同于分子，也不同于块体。
8、Kubo理论：颗粒尺寸进入纳米级时，靠近费米面附近的能级由原来的准连续变为离散能级。
9、小尺寸效应：当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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
10、纳米结构材料：由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子形成的三维块体称为纳米固体（结构）材料。
其晶粒尺寸、晶界宽度、析出相分布、气孔尺寸和缺陷尺寸都在纳米数量级。
二、简答题1、冷冻干燥法制备纳米颗粒的基本原理。
先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，再通过热处理得到所需的物质。
2、气相合成法制备纳米颗粒的主要过程有哪些？利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。
《纳米材料概论》教学大纲精选全文
可编辑修改精选全文完整版《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。
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（一）教学内容与学时1、纳米材料的基本概念1学时2、纳米微粒的基本性质3学时（1）电子能级的不连续性（2）量子尺寸效应（3）小尺寸效应（4）表面效应（5）宏观量子隧道效应3．纳米微粒的物理特性3学时（1）纳米微粒的结构与形貌（2）纳米微粒的热学性质（3）纳米微粒的磁学性质（4）纳米微粒的光学性质（二）重点与难点1．重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。
纳米材料概论重点
纳米材料概论重点纳米材料概论重点纳米:纳米是一个长度单位，简写为nm。
1 nm=910 m=10 埃。
光子晶体是指具有光子带隙（简称PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结原子团簇：由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体（原子团簇尺寸一般小于20nm）。
水热法:水热反应是高温高压下在水(水溶液)或水蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。
水热法是在高压釜里的高温(100～1000℃) 、高压(1～100 Mpa)反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，在高压环境下制备纳米微粒的方纳米材料的定义：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功的材料称为纳米材料.即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为1、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2、纳米结构的自组装体系—指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华键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。
3、量子尺寸效应—是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。
当能级间距大于热能、电场能或磁场能时，纳米微粒就会出现一系列与宏观物质不同的反常特性。
4、宏观量子隧道效应—电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。
近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。
5、纳米表面工程－是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化，从而使材料的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。
基本单元构成的具有特殊功能的材料。
莲花效应（lotus effect），也称作荷叶效应，是指莲叶表面具有超疏水性以及自洁（self-cleaning）的特性。
纳米材料概述
纳米材料概述纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸在纳米级别，即10^-9米。
纳米材料的研究和应用领域涉及物理学、化学、生物学、材料科学等多个学科，并在各个领域展现出广泛的应用前景。
纳米材料的特殊之处在于其具有独特的物理、化学和生物学性质。
由于其尺寸与一些重要的物理特性和表面效应相关，纳米材料表现出与宏观材料截然不同的性质。
例如，纳米材料的比表面积大大增加，使其具有更高的反应活性和吸附能力。
此外，纳米材料还具有量子效应、尺寸限制效应和界面效应等特征，使其在光电子学、催化剂、传感器等领域具有广泛的应用潜力。
在光电子学领域，纳米材料被广泛应用于光电器件的制备和性能改善。
由于纳米材料的尺寸与光波长接近，使其能够有效地吸收和发射光线，从而提高光电器件的效率和性能。
例如，纳米颗粒可用于制备高效的太阳能电池，纳米线可以用于制备高亮度的发光二极管。
此外，纳米材料还可用于制备高分辨率的显示器件和光学传感器，为信息技术和光学通信提供支持。
在催化剂领域，纳米材料具有更高的反应活性和选择性。
纳米材料的高比表面积和独特的表面结构，使其能够提供更多的活性位点和更好的催化效果。
纳米催化剂可以用于改善化学反应的速率和选择性，从而提高化工工艺的效率和产品质量。
例如，纳米金属催化剂可用于制备高性能的汽车尾气净化催化剂，纳米氧化物催化剂可用于制备高效的能源转换催化剂。
在传感器领域，纳米材料的高灵敏度和选择性使其成为理想的传感材料。
纳米材料的尺寸和表面特性使其能够与分子和生物体发生特异性的相互作用，从而实现对特定物质的高灵敏度检测。
例如，纳米颗粒可以用于制备生物传感器，实现对生物分子的快速、准确的检测。
纳米材料还可以用于制备化学传感器、气体传感器和光学传感器等，广泛应用于环境监测、食品安全和医学诊断等领域。
除了上述应用领域外，纳米材料还在材料科学、能源技术、生物医学、环境保护等领域展现出巨大的潜力。
例如，纳米材料可用于制备高强度、轻质的结构材料，用于航空航天和汽车工业；纳米材料可用于制备高效的能源存储和转换材料，如锂离子电池和燃料电池；纳米材料还可用于制备高效的生物传感器和药物传递系统，用于生物医学研究和治疗。
纳米材料的介绍
纳米材料的介绍一、纳米材料概述纳米材料是指纳米级尺寸的材料，具有良好的化学、光学等性能。
纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。
根据物理形态的不同，纳米材料可划分为五类：纳米薄膜、纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米相分离液体。
纳米材料的性能一般由量子力学决定，其光、电、磁、热性能与普通材料存在明显的差异。
相较于传统材料制品，纳米材料制品在光学、热学、力学、化学等性能方面具有明显优势。
从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1-100纳米范围内的一种固体材料。
主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。
因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。
这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。
目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。
二、纳米材料定义纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入地认识。
三、纳米材料的性质1、"强" 在电子，医保，环保，能源等领域具有更多的优势。
2、"高" 适用纳米材料制作的器材，拥有更高的耐热，导电，高磁导性，可塑性。
3、"轻" 纳米材料更加轻更加便利，体积变小的同时还可以提高效率。
纳米材料概论 第八章纳米材料的热学性能
第八章纳米材料的热学性能重点:纳米材料的热学性质及尺寸效应纳米晶体的熔化纳米晶体的热稳定性纳米晶体的点阵热力学性质纳米晶体的界面热力学重点材料的热性能是材料最重要的物理性能之一表现出一系列与块体材料明显不同的热学特性，如：比热容值升高热膨胀系数增大熔点降低纳米材料的热学性质与其晶粒尺寸直接相关Why?材料的热性能是材料最重要的物理性能之一8.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应8.1.1纳米材料的热学性质纳米材料的熔点材料中分子、原子的运动行为决定材料的热性能当热载子（电子、声子及光子）的各种特征运动尺寸与材料尺度相当时，反映物质热性能的物性参数（如熔化温度、热容等）会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
8.1.2 纳米晶体的热容及特征温度热容是指材料分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，与材料的结构密切相关。
在温度T时，材料的热容量C的表达式为：若加热过程中材料的体积不变，则测得的热容量为定容热容（CV）；若加热过程中材料的压强不变，则测得的为定压热容（CP）。
晶界的过剩体积ΔV其中，V和V分别为完整单晶体和晶界的体积。
在纳米材料中，很大一部分原子处于晶界上，界面原子的最近邻原子构型与晶粒内部原子的显著不同，使晶界相对于完整晶格存在一定的过剩体积热力学计算表明：纳米晶的热容随着晶界过剩体积的增加而增加，因而亦随着晶界能的增加而增加。
由于高比例晶界组元的贡献，纳米材料的比热容会比其粗晶材料的高。
注意区分：纳米材料定容热容与比热容的特点2、德拜特征温度由固体物理，德拜特征温度的定义为：ωm表征晶格振动的最高频率；kB为玻尔兹曼常数。
纳米晶体材料的德拜特征温度θnc相对于粗晶的θc的变化率Δθnc可由下式给出：目前，对于纳米晶体材料特征温度的减小还无确切解释。
但可见，晶格振动达到最高频率变得容易了。
8.1.3纳米晶体的热膨胀热膨胀是指材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象。
纳米材料概论
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，通常采用纳米微 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)及开展复合纳米薄膜 (0—2复合)，国际上通常把这类材料称为纳米 复合材料．这一阶段纳米复合材料的合成及物 性的探索一度成为纳米材科研究的主导方向．
是物理、化学、生物、材料、电子等多种学科 穿插集合点。
2. 纳米材料和技术领域研究的对象和开展 的历史
纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、 研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米〞是一 个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是 日本在1974年底，但是以“纳米〞来命名的材 料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义 把纳米颗粒限制到1—100nm范围、实际上，对 这一范围的材料的研究还更早一些。在纳米材 料开展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们 构成的纳米薄膜和固体．
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，探索 纳米材料不同于常规材料的特殊性能．对纳米 颗粒和纳米块体材料构造的研究在20世纪80年 代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在 单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米 材料称纳米晶或纳米相(nanocrystalline or nanophase)材料．
收、催化、敏感特性和磁性方面都表现出明显不同
于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出广 阔的应用前景．
(3)作为纳米科学技术的另一个重要分支， 即纳米生物学在90年代初露头角，面向 2l世纪，它的开展前途方兴末艾．纳米生 物学在纳米尺度上认识生物大分子的精 细构造及其与功能的联系，并在此根底 上按自己的意愿进展裁剪和嫁接，制造 具有特殊功能的生物大分子，这使生命 科学的研究上了一个新的台阶，
纳米材料概论
气相分解法的原料通 常是容易挥发、蒸汽 压高、反应性好的有 机硅、金属氯化物或 其它化合物。
Fe(CO)5(g) Fe(s)+5CO(g) SiH4(g) Si(s)+2H2(g) 3[Si(NH)2] Si3N4(s)+2NH3(g) (CH3)4Si SiC(s)+6H2(g) 2Si(OH)4 2SiO2(s)+4H2O(g)
人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和 化学方法两大类。
一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎和 冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合；气流磨是冲击、 磨碎与剪碎的组合，等等。
几种典型的粉碎技术： 球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉 碎气流磨
物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变化， 主要表现在：
光散射粒度测试方法的特点： • 测量范围广； • 测定速度快,自动化程度高,操作简单。测量准确,重现性好； • 可以获得粒度分布。
4.激光相干光谱粒度分析法
通过光子相关光谱（PCS）法，可以测量粒子的迁移速率。而液体 中的纳米颗粒以布朗运动为主，其运动速度取决于粒径，温度和粘度 等因素。在恒定的温度和粘度条件下，通过光子相关光谱（PCS）法测 定颗粒的迁移速率就可以获得相应的颗粒粒度分布 。
对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不 同，其颗粒特性也不相同，只能进行等效对比，不能进行 横向直接对比。
1.显微镜法(Microscopy)
SEM,TEM；1nm～5μｍ范围；
适合纳米材料的粒度大小和形貌分析 ；
ZnNMn3 SEM图
ZnNMn3 TEM和XRD图
2.沉降法(Sedimentation Size Analysis)
纳米材料的概述、制备及其结构表征
纳米材料的概述、制备及其结构表征1.引言1.1 概述纳米材料是指具有纳米级尺寸（一般指直径小于100纳米）的材料。
由于其特殊的尺寸效应和界面效应，纳米材料呈现出与宏观材料不同的物理、化学和生物学性质，具有广泛的应用价值和研究前景。
纳米材料的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法等。
物理法主要利用物理手段将宏观材料加工成纳米级颗粒，如球磨法、激光烧结法等；化学法则是通过化学反应控制合成纳米材料，如溶胶-凝胶法、溶液法等；生物法则是利用生物体内或生物体外的生物学过程合成纳米材料，如生物矿化法、酶法等。
不同的制备方法可以获得不同形态、尺寸和结构的纳米材料。
纳米材料的结构表征是研究纳米材料的重要手段。
常用的结构表征方法包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外光谱等。
这些技术可以观察和分析纳米材料的形貌、尺寸、晶体结构和化学组成，为纳米材料的制备和性质研究提供重要依据。
纳米材料的应用前景广阔。
由于其特殊性能，纳米材料在能源、催化、电子、生物医学等领域具有重要的应用潜力。
例如，纳米材料可以用于改善太阳能电池的效率、提高催化反应的效果，并在生物传感器和药物输送系统中发挥重要作用。
纳米材料的制备和结构表征对于纳米材料研究具有重要意义。
制备方法的选择和调控可以获得具有特定结构和性能的纳米材料，而结构表征则可帮助我们了解纳米材料的内部结构和相互作用机制，进一步优化和改进纳米材料的性能。
然而，纳米材料研究还面临一些挑战和问题。
首先，制备纳米材料的方法仍然存在一定的局限性，如难以控制材料的形貌和尺寸分布；其次，纳米材料的安全性和环境影响是需要进一步研究和评估的重要问题；此外，纳米材料的应用还需要解决稳定性、可持续性和成本等方面的挑战。
总之，纳米材料具有独特的性质和广泛的应用前景。
通过制备和结构表征的研究，可以进一步深入理解纳米材料的特性和行为，为其在不同领域的应用和发展提供科学依据和技术支持。
功能材料概论6(纳米材料)
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原
子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密 性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗 粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含 1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。
扫描隧道显微镜下的纳米团簇
纳米颗粒型材料也称纳米粉末
可用于制备高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材
料、防辐射材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装 材料、光电子材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、敏 感元件、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、 高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂 等。
碳纳米管 1991年，日本科学家饭岛澄男发 现碳纳米管。 石墨中一层或若干层碳原子卷曲而 成的笼状“纤维”，内部是空的， 外部直径只有几到几十纳米，长度 可达数微米甚至数毫米。 这样的材料很轻，但很结实。它 的密度是钢的1/6，而强度却是钢 的100倍。若用碳纳米管做绳索， 是惟一可从月球上挂到地球表面， 而不被自身重量所拉断的绳索。
第一章 纳米材料概述
第一章 纳米材料概述
第一章 纳米材料概述
左图为非纳米结构 的表面，水珠滚动时 无法将灰尘带走
右图为具有纳米结构 的表面，水珠滚动时 可将灰尘带走
第一章 纳米材料概述
2、昆虫翅膀的自洁作用
飞行中的昆虫必须保持翅膀的平衡，即使上面沾有一点点 灰尘或水滴，也会因重量不平衡而造成飞行上的问题。尤 其是一些翅膀较大昆虫，因为无法以腿部进行清洁，所以 在翅膀表面多具有纳米结构，可减少与污垢的接触面，水
第一章 纳米材料概述
3-维纳米结构材料的分类示意图
Leabharlann 引言纳米材料是材料科学领域发展的重要成果之一， 人们希望通过运用纳米技术制备比传统材料体积 更小、质量更轻、性能更好的材料。 纳米技术涉及了一个综合的交叉领域，需要通过 物理、化学、材料、生物、机械和电子工程等领 域的科学家的共同努力来实现。
第一章 纳米材料概述
纳米是连接原子、分子和宏观世界的桥梁，当材 料的结构单元在纳米尺度以下时，表现出了不同 于宏观体材料的特殊性质，纳米尺度的结构对材 料的特性起到了决定性的作用，也扩大了材料的 应用范围。 纳米科技目前还处在起步和发展的阶段，远远没 有达到成熟，仍旧需要大量深入的研究工作，纳 米技术在人们日常的生产和生活中的应用也才刚 刚开始，实用化和产业化尚需解决大量的科学和 工程问题。
第一章 纳米材料概述
6、纳米与生物科技
基因工程 将好的DNA片段插入细胞原有的DNA内，使细胞展现 所希望的特性（基因疗法、动植物品种改良）。以往科 学家多利用病毒将所欲的DNA片段送入细胞核内，但 缺点是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究将DNA 片段压缩装进高分子微粒中（25纳米以下），可明显 提高改造成功率，却没有毒性或免疫反应，有效性与安 全性大为改善。
纳米带(纳米材料概论)
• 3）其生产过程简单可控，大量生产时能保 证材料结构同一，基本没有缺陷。
纳米带的应用
纳米带能弥补CNT平板显示的缺陷，例 如铟氧化物纳米带是重要的透明导体氧化 物（TCO）的材料，由于其高导电率和光 学透明性，应用于平板显示技术有很好的 发展前景。
• 3.模板合成法 通过纳米材料的 组成、结构、形 貌、尺寸、取向和排布等进行控制， 使制备的材料具有各种预期的或特殊 的物理性质。
• 4.分子自组装法 通过分子间特殊的相互作用，组装 成有序的纳米结构，实现高性能化和多 功能化，主要原理是分子间力的协同作 用和空间互补。
纳米带的特性
• 1）纳米管比钢管硬，有惊人的导电能力。
纳米带
姓名：学号：
• 纳米带具有长方形界面，厚度在纳米 量级，宽度可达几百纳米，宽厚比较大， 非常薄的长条形结构
纳米带的制备方法
• 1.真空蒸发-冷凝法
Hale Waihona Puke 即在真空状态下，加热物质至适 当温度，使之以一定的速率挥发成 蒸气，并随后强制冷凝成粉体。
• 2.微乳合成法
这种方法被广泛应用于合成纳米 颗粒。其核心是利用油性相包裹水相 在微乳液中控制化学反应。
纳米带由于其大的比表面体积，使其 电学性质对表面吸附非常敏感，外界环境 诸如温度、光、湿度等因素改变会迅速英 气界面离子、电子输运的变化。利用其电 阻显著变化可将其做成传感器，特点是响 应速度快、灵敏度高、选择性比较优良。
纳米材料概述
纳米材料概述纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸通常在纳米级别（即纳米米级别）。
纳米材料具有许多独特的特性，使其在各个领域具有广泛的应用前景。
纳米材料具有较大的比表面积。
由于纳米级尺寸的颗粒具有较高的表面积与体积比，所以纳米材料相同质量下的比表面积要远大于传统材料。
这使得纳米材料在催化、吸附、传感等领域具有很大的优势。
例如，纳米催化剂由于其较大的比表面积可以提供更多的反应活性位点，因此在化学反应中具有更高的催化活性。
纳米材料具有尺寸效应。
由于纳米材料的尺寸处于纳米级别，其电子、光学、磁学等性质会出现明显的尺寸效应。
这种尺寸效应使得纳米材料在光电子器件、磁性材料等领域具有独特的应用潜力。
例如，纳米颗粒可以通过调节其尺寸来实现特定波长的光吸收和发射，因此在光电子器件中被广泛应用。
纳米材料还具有良好的机械性能和化学稳定性。
由于纳米材料具有较小的晶粒尺寸和较大的比表面积，其晶界的位错和缺陷会减少，从而提高了材料的强度和硬度。
同时，纳米材料由于表面原子与周围环境的相互作用增强，表现出较好的化学稳定性，使其在储能材料、高温材料等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料具有可调控性强的优点。
由于纳米材料的尺寸、形态和结构可以通过合成方法进行精确控制，因此可以根据特定需求设计和合成具有特定功能和性能的纳米材料。
这种可控性使得纳米材料在生物医学、环境治理等领域有着广泛的应用。
例如，通过调控纳米材料的大小和表面修饰可以实现纳米药物的靶向输送和控释，从而提高治疗效果并减少副作用。
纳米材料作为一种具有特殊结构和性质的材料，在各个领域具有广泛的应用前景。
它们的较大比表面积、尺寸效应、良好的机械性能和化学稳定性以及可调控性强等特点，使得纳米材料在催化、光电子器件、储能材料、生物医学等领域具有诸多应用。
未来随着纳米材料研究的不断深入，其应用前景将进一步拓展，并为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
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一纳米有多小？
纳米科技
最早提出பைடு நூலகம்米尺度上科 学和技术问题的是美国 著名物理学家、诺贝尔 奖金获得者理查德·费曼 （Richard P Feynman）
纳米科技的迅速发展是在1980年代末 1990年代初。1982年，宾尼希（C. Binig） 和罗雷尔（H. Rohrer）等人发明了费曼所 期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描 隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，STM）。STM不仅以极高的 分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微 观世界，同时也为操纵原子、分子提供了 有力工具，从而为人类进入纳米世界打开 了一扇更加宽广的大门。
扫描隧道显微镜
纳米科技包括三个研究领域：纳米 材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表 征。纳米材料是纳米科技的基础；纳米 器件的研制水平和应用程度是人类是否 进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺 度的检测与表征是纳米科技研究必不可 少的手段和理论与实验的重要基础。
纳米科技
纳米科技的定义是：在纳米尺度（1-100纳 米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的 特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相 互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。
化学学院 郑向军
纳米材料概论
主要内容
一、纳米和纳米科技 二、纳米材料的概念和分类 三、纳米材料的性质和应用
一、纳米和纳米科技
早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出来后 一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、饱满， 写字非常好，这实际就是纳米颗粒。
什么是纳米？
纳米（nanometer）是长度计量单位，一米 的十亿分之一（10-9米），万分之一头发粗细 （人的头发直径约为80-100微米）。形象地 讲，一纳米的物体放到兵乓球上，就像一个 乒乓球放在地球上一般。
纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现 多学科交叉性质的前沿领域。
二、纳米材料的概念和分类
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。
料纳 米 材
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
一维，指在空间有两维处于纳米尺度， 如纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米带等
使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材 料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药 品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层 纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞 或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量 血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
纳米碳管单电子晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整 体不足人的头发丝直径的500分之一。
医疗上的应用
血液中红血球的大小为200～300nm，而纳米粒子只有几个 纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由 活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位， 便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的 效果好。
纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆， 烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易 在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极 高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性 使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。 如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后 做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表 面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内 部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
二维，指在三维空间中有一维在纳米尺 度，如超薄膜、多层膜等
纳米颗粒、纳米棒、纳米膜
纳米材料
科学研究发现，当材料的颗粒缩小到有 几纳米到几十纳米时，材料的性质发生了意 想不到的变化。
三、纳米材料的性质和应用
特殊的光学性质
特殊的热学性质
特殊的力学性质
特殊的磁性性质
特殊的电学性质
纳米碳管晶体管，只需一个电子就可实现开关状态。