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纳米材料的几种物理特性
• 小尺寸效应 ： 当超微颗粒尺寸不断减少， 在一定的条件下会引起材料的宏观物理化 学性质的变化，称为小尺寸效应。
超微材料的做的钢材料及油箱盖
纳米材料的几种物理特性
• 对力学性质的影响：传统陶瓷呈现出脆性， 由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有 良好的韧性。由于超微粉具有大的界面， 界面原子排列相当混乱，原子在外力变形 条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性 与一定的延展性。
纳米材料的几种物理特性
• 量子效应：孤立原子的能级是分立的，能量是量 子化的。当原子形成固体之后，由于晶体周期场 的影响，分离的能级形成能带。后来日本科学家 在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子 数的减少，电子能级类似孤立原子中的能级, 变为 不连续,能带中能级间隔加大。当能隙大于它具有 的热能、电磁能时，超微粒子就会呈现出一系列 与宏观物体截然不同的性质，称之为量子尺寸效 应。 金属导体可能变成半导体甚至绝缘体。对 半导体材料来说，由于尺寸的减少，价带和导带 之间的能隙增大，光吸收或者发光带的特征波长 也不同于传统材料。尺寸减少，发光带的波长向 短波移动，这种现象称为“蓝移”。
纳米材料：
• 纳米的有关概念 • 纳米材料及技术的发展 • 纳米材料的神奇物理特性
纳米的有关概念
• 纳米（nanometer）是一个极小的长度单位： 1nm=10-9m , 1纳米是1米的十亿分之一， 相当于十个氢原子一个挨—个排起来的长度， 人的一根头发丝的直径相当6万个纳米。物 质结构的最小单元是原子，一纳米相当于五 个原子并排起来的长度。 • 纳米材料是纳米科技的重要组成部分，由尺 寸为1-100nm的超微粉组成的固态或液态材 料。可分为两个层次，即纳米微粒和纳米固 体或液体。
纳米材料的几种物理特性
表面效应：表面效应是指纳米粒子的表面原子数 与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度 地增加，比表面积（表面积/体积）增大，粒子的表 面能和表面张力也会随之增加，从而引起纳米粒子 性质的变化。 • 由于表面活性高，利用它的表面活性特点，金 属超微粒子可以做成新一代的高效环境友好催化剂 和储氢材料。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加 约1%（质量）的超微铝或镍，燃料燃烧热增加约1 倍。 • 纳米ZnO、TiO2等半导体纳米粒子的光催化作用 在环保健康方面有广泛的应用。 • 利用它的大表面比作成敏感材料，如气、湿、光敏 器件。
纳米材料的几种物理特性
• 特殊的热学性质：由于在纳米尺寸下，可 以说材料的空间维数减少，表面能增大， 金属纳米材料的熔点减少。块状金的熔点 为1064 ℃，当变成10nm时，为1037℃ ， 2 nm 时为327℃。银的熔点可由690℃ 降 到100℃ 。因此，银超细粉制成的导电浆料 可在低温下烧结。这样元件基片不必采用 耐高温的陶瓷，而可采用塑料。这种浆料 做成膜既均匀、覆盖面大，又省料、质量 好。
纳米材料及技术的发展
1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料
在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。在 坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。广义地说 ，动植 物按最微基准来定义，就是纳米机器的组合体。蜜蜂、螃蟹、 海龟的体内具有纳米磁性粒子。
中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料，用 于着色的染 料等。 1861年胶体化学出现，并随之人们逐渐对直径为 1-100nm 的微粒进行研究。
纳米材料的几种物理特性
• 特别的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性 比大块材料强许多倍。 20nm 的磁性氧化 物的矫顽力是大块铁的1000倍，但当尺寸 再减少的时候，其矫顽力反而又降低了成 为超顺磁性。利用超微粒子具有的高的矫 顽力的性质，已做成了高储存密度的磁记 录粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙 等。如果磁光盘一旦进入纳米级，它的信 息储存量将为现有光盘的10 6倍。
ห้องสมุดไป่ตู้
纳米材料的几种物理特性
• 特殊的光学性质：金属超微粉对光的反射率很低， 一般低于1%，几乎所有的金属材料在细到小于光 波的波长时（几千个埃）会失去原有的金属光泽， 呈现黑色。尺寸越小，颜色越黑。利用此特性可 以做高效的光热，光电转换材料，同时，还可以 做防红外，防雷达的隐身材料，例如，用纳米铁 氧体微粒制成的吸收波材料在国防军事上有很大 的应用，美国已在这方面将此实用化了，1991年 海湾战争中，美国的隐身战斗攻击机F-117A共执 行任务1270次，无一损伤。
70年代末80年代初，人们对纳米微粒的结构、形态和特性进 行了较为系统的研究。
2.纳米科技的诞生
纳米科技的诞生是以扫描隧道显示仪 (ScanningTunnelingMicrosocopy)发明为先导的。该 仪器是1981年由美国的IBM公司在苏黎世实验室的教授 G.Binning和H. Rohrer博士发明的。这是目前为止进行 表面分析最精密的仪器，可以直接观察到原子，横向分 辨率为0.1nm,纵向分辨率为0.01nm。 1990年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米 科学技术会议。这次会议标志着纳米科技领域的正式形 成。 1992年9月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材 料会议。正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公 布于世。每两年召开一次，1994年在德国召开了第二届， 第三届在美国的夏威夷召开，1998年在瑞典召开第四届， 2000年在日本的仙台召开第五届。
纳米材料的几种物理特性
• 量子隧道效应：电子具有粒子性也具有波动性， 因此存在隧道效应。近年来科学家发现纳米颗粒 也具有隧道效应，属于宏观量子隧道效应。 这 两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基 础。 • 目前，最精细的电子线路宽约为1微米，为头发 丝的1%，经典电路的极限尺寸约为0.25um，要 将电路进一步微型化就很困难，当电路的尺寸接 近电子波长时，电子就会通过隧道效应而溢出器 件。 • 利用量子效应开发新技术和新装置。电路依靠单 个分子改变位置或形状，就能储存信息。或者做 成分子开关。
纳米材料的几种物理特性
• 小尺寸效应 ： 当超微颗粒尺寸不断减少， 在一定的条件下会引起材料的宏观物理化 学性质的变化，称为小尺寸效应。
超微材料的做的钢材料及油箱盖
纳米材料的几种物理特性
• 对力学性质的影响：传统陶瓷呈现出脆性， 由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有 良好的韧性。由于超微粉具有大的界面， 界面原子排列相当混乱，原子在外力变形 条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性 与一定的延展性。
纳米材料的几种物理特性
• 量子效应：孤立原子的能级是分立的，能量是量 子化的。当原子形成固体之后，由于晶体周期场 的影响，分离的能级形成能带。后来日本科学家 在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子 数的减少，电子能级类似孤立原子中的能级, 变为 不连续,能带中能级间隔加大。当能隙大于它具有 的热能、电磁能时，超微粒子就会呈现出一系列 与宏观物体截然不同的性质，称之为量子尺寸效 应。 金属导体可能变成半导体甚至绝缘体。对 半导体材料来说，由于尺寸的减少，价带和导带 之间的能隙增大，光吸收或者发光带的特征波长 也不同于传统材料。尺寸减少，发光带的波长向 短波移动，这种现象称为“蓝移”。
纳米材料：
• 纳米的有关概念 • 纳米材料及技术的发展 • 纳米材料的神奇物理特性
纳米的有关概念
• 纳米（nanometer）是一个极小的长度单位： 1nm=10-9m , 1纳米是1米的十亿分之一， 相当于十个氢原子一个挨—个排起来的长度， 人的一根头发丝的直径相当6万个纳米。物 质结构的最小单元是原子，一纳米相当于五 个原子并排起来的长度。 • 纳米材料是纳米科技的重要组成部分，由尺 寸为1-100nm的超微粉组成的固态或液态材 料。可分为两个层次，即纳米微粒和纳米固 体或液体。
纳米材料的几种物理特性
表面效应：表面效应是指纳米粒子的表面原子数 与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度 地增加，比表面积（表面积/体积）增大，粒子的表 面能和表面张力也会随之增加，从而引起纳米粒子 性质的变化。 • 由于表面活性高，利用它的表面活性特点，金 属超微粒子可以做成新一代的高效环境友好催化剂 和储氢材料。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加 约1%（质量）的超微铝或镍，燃料燃烧热增加约1 倍。 • 纳米ZnO、TiO2等半导体纳米粒子的光催化作用 在环保健康方面有广泛的应用。 • 利用它的大表面比作成敏感材料，如气、湿、光敏 器件。
纳米材料的几种物理特性
• 特殊的热学性质：由于在纳米尺寸下，可 以说材料的空间维数减少，表面能增大， 金属纳米材料的熔点减少。块状金的熔点 为1064 ℃，当变成10nm时，为1037℃ ， 2 nm 时为327℃。银的熔点可由690℃ 降 到100℃ 。因此，银超细粉制成的导电浆料 可在低温下烧结。这样元件基片不必采用 耐高温的陶瓷，而可采用塑料。这种浆料 做成膜既均匀、覆盖面大，又省料、质量 好。
纳米材料及技术的发展
1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料
在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。在 坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。广义地说 ，动植 物按最微基准来定义，就是纳米机器的组合体。蜜蜂、螃蟹、 海龟的体内具有纳米磁性粒子。
中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料，用 于着色的染 料等。 1861年胶体化学出现，并随之人们逐渐对直径为 1-100nm 的微粒进行研究。
纳米材料的几种物理特性
• 特别的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性 比大块材料强许多倍。 20nm 的磁性氧化 物的矫顽力是大块铁的1000倍，但当尺寸 再减少的时候，其矫顽力反而又降低了成 为超顺磁性。利用超微粒子具有的高的矫 顽力的性质，已做成了高储存密度的磁记 录粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙 等。如果磁光盘一旦进入纳米级，它的信 息储存量将为现有光盘的10 6倍。
ห้องสมุดไป่ตู้
纳米材料的几种物理特性
• 特殊的光学性质：金属超微粉对光的反射率很低， 一般低于1%，几乎所有的金属材料在细到小于光 波的波长时（几千个埃）会失去原有的金属光泽， 呈现黑色。尺寸越小，颜色越黑。利用此特性可 以做高效的光热，光电转换材料，同时，还可以 做防红外，防雷达的隐身材料，例如，用纳米铁 氧体微粒制成的吸收波材料在国防军事上有很大 的应用，美国已在这方面将此实用化了，1991年 海湾战争中，美国的隐身战斗攻击机F-117A共执 行任务1270次，无一损伤。
70年代末80年代初，人们对纳米微粒的结构、形态和特性进 行了较为系统的研究。
2.纳米科技的诞生
纳米科技的诞生是以扫描隧道显示仪 (ScanningTunnelingMicrosocopy)发明为先导的。该 仪器是1981年由美国的IBM公司在苏黎世实验室的教授 G.Binning和H. Rohrer博士发明的。这是目前为止进行 表面分析最精密的仪器，可以直接观察到原子，横向分 辨率为0.1nm,纵向分辨率为0.01nm。 1990年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米 科学技术会议。这次会议标志着纳米科技领域的正式形 成。 1992年9月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材 料会议。正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公 布于世。每两年召开一次，1994年在德国召开了第二届， 第三届在美国的夏威夷召开，1998年在瑞典召开第四届， 2000年在日本的仙台召开第五届。
纳米材料的几种物理特性
• 量子隧道效应：电子具有粒子性也具有波动性， 因此存在隧道效应。近年来科学家发现纳米颗粒 也具有隧道效应，属于宏观量子隧道效应。 这 两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基 础。 • 目前，最精细的电子线路宽约为1微米，为头发 丝的1%，经典电路的极限尺寸约为0.25um，要 将电路进一步微型化就很困难，当电路的尺寸接 近电子波长时，电子就会通过隧道效应而溢出器 件。 • 利用量子效应开发新技术和新装置。电路依靠单 个分子改变位置或形状，就能储存信息。或者做 成分子开关。