纳米材料分类和应用

马达
生命遗传信息的载体
人工：自组装而成:纳米马达、纳米机器人等
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傳統的纳米科技是由大而小
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未來的纳米科技是由小而大
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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。
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2 纳米材料的特异效应
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 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1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。
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。
因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱 的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的 韧性与一定的延展性。
美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而 不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为 它是由磷酸钙等纳米材料构成的。
中科院化学所 纳米领带： 超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材： 高强度、抑菌功能
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我国的机遇与挑战－纳米科技领域
二百年回顾 蒸汽机技术、电气化技术、微电子技术的高潮都错过 IT产业、网络通讯与西方差距不大 纳米技术使大家都面临着重新变革，相当于5千米赛
跑，都才跑出500米，我们落后得不是很多，有的 还不落后
金属纳米粒子在空气中燃烧，无机纳米粒子吸附气体， 与气体反应。
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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
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，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
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来自百度文库
（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。
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（6）宏观量子隧道效应
量子隧道效应： 微观粒子具有穿越势垒的能力
宏观量子隧道效应：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 为宏观的量子隧道效应。当微电子器件进一步微型化时必须要 考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电 路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件， 使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。 目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一 代器件。
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2. 纳米材料：
在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们 作为基本单元所构成的材料。
零维：纳米微粒、原子簇团
按维度数
一维：纳米丝、纳米棒、纳米管 二维：超薄膜、多层膜
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3. 纳米物质：
纳米物质在自然界中早已存在，只是人类未认识罢 了，如DNA，小蜜蜂体内存在的纳米级的磁性颗粒充当 罗盘导航用。
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若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为 2×10-3微 米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态， 随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面 体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于 液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面 原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到 这种颗粒结构的不稳定性。
4. 纳米自组装体系：
由纳米微粒以及它们组成的纳米丝或管为基本单元， 经过人工组装，在一维、二维、三维空间合成的纳 米结构体系，也叫纳米尺度的图案材料。
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5. 纳米结构：
以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构成的新体 系，包括一维、二维、三维等。 有天然和人工两种
天然:脱氧核糖核酸DNA结构
DNA
纳米材料分类和应用
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国内纳米技术进展
• 1993年， 中科院操纵原 子写字
• 中科院物理所制备出大 面积碳纳米管阵列;合成 了当时最长的纤维级碳 纳米管
• 中国科技大学:氮化镓粉 体
• 清华大学:氮化镓纳米棒 • 中国科技大学:从四氯化
碳制备出金刚石纳米粉， 被誉为“稻草变黄金”
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中科院化冶所 “七五攻关”－纳米碳化硅 “八五863”－纳米阻燃剂
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。
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人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋 磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁 场导航下能辨别方向，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。
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（4）特殊的力学性质
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纳米科技与军事技术
• 纳米探测系统 • 纳米材料提高武器打击 • 纳米材料提高防护能力 • 纳米机械系统制造的小型机器人 • 雷达隐身技术
– 美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99％ – 法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层
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1.纳米热现象：
纳米领带、冰箱、布、绑带、药丸、化肥、 玩具、皮鞋、杯、 水泥、油……
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（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1064C℃，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；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可 低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧 结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用 塑料。
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。
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图2. 陶瓷材料
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（5）量子尺寸效应
大块材料中能级、能级合并成能带，由于电子数目很 多，能带中能级的间距很小，看作是连续的。
对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的能级； 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。
当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时， 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为 量子尺寸效应。