纳米材料和纳米结构(张立德,牟季美著)思维导图
纳米材料和纳米结构第五讲PPT课件
Final size determination of spherical silica particles
➢ Initial concentration of water ➢ Type and concentration of catalyst ➢ Types of silicon alkoxide (methyl 甲基, ethyl 乙基, butyl丁基,
纳米材料和纳米结构
溶胶-凝胶法 Sol-gel Processing
第1五讲
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
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1 General Introduction
Based on inorganic polymerization reactions（无机聚合反应） Used to prepare inorganic oxides, such as glasses or ceramics, especially multicomponent systems（多组分体
系） Be able to control the structure on nanoscale from the earliest stages of processing Easy to obtain nanostructured grains with compositional homogeneity（组分均匀性）, higher purity, lower
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Principles
The sol-gel technique to material synthesis is based on some organic precursors（先驱物）, and the gels may form by network growth from an array of discrete particles or by formation of an interconnected 3-D net work by the simultaneous hydrolysis and polycondensation（缩聚作用） of organometallic（有机金属） precursors. The size of the sol particles depend upon some variable factors such as pH, solution composition, and temperature etc.. By controlling the experimental conditions, one can obtain the nanostructured target materials in the form of powder or thin film.
纳米技术 第二讲 纳米材料及纳米结构
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零维（0D）纳米材料
silica nanoparticles
Pt nanoparticles
一维（1D）纳米材料
金纳米棒
碳纳米管
硅纳米线
ZnO纳米带
二维（2D）材料
“绽放在纳米世界的火红玫瑰” 磁控溅射法在单晶NaCl 衬底上制作Cu纳米薄膜 ，样品厚度约15nm 。
导电性能的转变
1）与常规材料相比， Pd纳米相固体的比电阻 增大； 2）比电阻随粒径的减 小而逐渐增加； 3）比电阻随温度的升 高而上升。
■— 10nm; ▲— 12nm; X — 13nm; + — 22nm; ▼— 25nm; □ — 粗晶。
表面效应
表面效应（Surface Effect） 随着颗粒直径的变小，比表面积（表面积/体积）显著 地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原 子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样 的特性，这就是表面效应，又称界面效应。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会 迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有 意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致 密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超 微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料。
光谱线频移
纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。 SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC 固体为794cm-1。 CdS溶胶颗粒的吸收光谱随着尺寸的减小逐渐蓝移 （如下图所示）。 CdS溶胶颗粒 在不同尺寸下 的吸收光谱 谱线1：6nm; 谱线2：4nm; 谱线3：2.5nm; 谱线4：1nm
assembling system）、人工组装合成的纳米结构的材料体系或者 称为纳米尺度的图案材料（patterning materials on the nanometer scale）越来越受到重视。特点是强调按人们的意愿设计、组装、 创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，这也 是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。
第1章 纳米材料概述
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=106μm=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。
神奇的纳米材料
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。