纳米材料与团簇物理
纳米粒子团簇
纳米粒子团簇是由数个至数百个原子、分子凝聚在一起形成的纳米尺度的超微粒子。
这种团簇的物理和化学性质随所含的原子数目而变化，其空间尺度在几埃至几百埃的范围内，介于原子、分子与大块材料之间，是一种介观物质。
纳米粒子团簇具有许多独特的性质，例如磁性、吸附和排斥作用等。
在液体介质中，纳米颗粒的团聚可分为软团聚和硬团聚两种。
软团聚主要是由颗粒间的静电力和范德华力所致，可以通过一些化学作用或施加机械能的方式来消除；硬团聚形成的原因除了静电力和范德华力之外，还存在化学键作用，因此不易破坏，需要采取一些特殊的方法进行控制。
纳米粒子团簇具有广泛的应用前景。
例如，在量子器件、能量贮存、催化反应、新型材料、生物医学检测和宇航工业等领域都有深入研究和应用。
此外，对纳米材料个体的研究可以揭示其物理和化学性质，是纳米材料学基础研究的重要方面。
而对纳米颗粒群体的研究则可以探索组装纳米材料及其器件，使分子团簇、原子簇的特异性、微观性在宏观上得以表达，使无序的状态变成有序状态，使简单的组装研究向自组装方向发展。
以上内容仅供参考，建议查阅关于“纳米粒子团簇”的学术文献或咨询相关专家以获取更准确的信息。
团簇
团簇和纳米体系物理发展团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，尺度范围大约在0.1-100nm，这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。
它的丰富物理内涵，对物理学提出了新的挑战，也是当前物理学与其它学科交叉最富有活力的热点领域。
团簇简介原子和分子团簇，简称团簇(Cluster)或微团簇(microclusters)，是几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成相对稳定的微观和亚微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化。
团簇的空间尺度是几个至几百个纳米的范围，用分子描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体或液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插得到。
因此，人们把团簇看作是介于原子分子和宏观固体之间物质结构的新层次，有人称之为物质的“第五态”。
正因为如此，团簇可作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中的特殊物相，或者说它代表了凝聚态物质的初始状态，团簇的研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律。
团簇科学是研究团簇的原子组态和电子结构、物理和化学性质及其向大块物质演化过程中与尺寸的关联，团簇同外界环境的相互作用规律等。
团簇科学处于多学科交叉的范畴。
从原子分子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学甚至核物理学引入的概念和方法交织在一起，构成当前团簇究的中心议题，并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。
团簇研究的基本问题是：弄清团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展、团簇的性质将如何变化，当尺寸多大时，团簇发展成宏观固体人们知道，由若干原子构成的分子，可在气相、液相和固相中稳定的单元存在，而团簇作为原子聚集体往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。
当团簇尺寸较小时，每增加一个原子，团簇的结构发生变化，即所谓重构。
第十一章 团簇及纳米材料
在科学研究中，发现材料的 一些结构, 其物理化学性质既不同于单个原子、分子，又 不同于常规固体，成为凝聚态物质中的一种新 结构。
团簇
团簇：由三个以上原子、分子结合成相对稳定 的微观和亚微观聚集体。如P4、As4四面体以及S6、S8 等。最著名的当属足球烯，即C60。
团簇在一个、两个或三个方向上延伸，便成为
l=1、2…p P
(10× l +2)
2
Mackay二十面体具有5次对称轴。
2、金属：电子对团簇稳定起主导作用，金属团簇的价电子
为共有电子，碱金属团簇中的s电子为团簇共有，各原子轨道 结合成分子轨道，随原子数增加分子轨道演变成能带。
相邻团簇的能量二级差分峰值出现在n=2、8、18、20、34、 40等。
四、碳纳米管和布基葱
碳纳米管又 叫做布基管； 各层之间的 间隔为石墨的 层间距； 通过在大 气中加热从外 向内逐层剥离 碳纳米管。
碳管结构与性能
碳管的直径、长度、螺旋度等直接影响到碳管的性能，可以是不
同禁带宽度的半导体，也可以是准一维导体。单一的碳纳米管可 做成电子器件。 碳纳米管的杨氏模量高达3.7×1012Pa，韧性高，密度低(约2.2g／ cm2)，弹性模量比碳纤维高5个数量级，可制备高强度轻质材料。
电子满壳层结构时，其幻数为2、8、18、20、34、40、 58、68、70、92、106等。
碱金属、碱土金属团簇的封闭壳层的原子数即为幻数
二、团簇的的性质 团簇的结构、性能与团簇的大小有非常 密切的关系。使它具有不同于常规同类材料的 物理和化学性质。
如 常规Fe、Co、Ni等材料是铁磁性材料， 它们的团簇却是超顺磁性的； 常规顺磁性的Na、K的团簇却是铁磁性 的。
《团簇和纳米材料分子设计原理-郑庆荣》1
上一节课回顾
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1. 你感兴趣的程序或你将来 课题组涉及的程序
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为什么不用MS Windows而要 使用Linux系统？
• Linux下也有游戏软件(少)
系统适用性
• MS(microsoft)：一般上网浏 览，简单字处理，游戏，容易 上手，适合普通用户，常称为 桌面系统【不用专门学习MS系 统】
• Unix/Linux： (Workstation)： 计算，数据处理，复杂字处 理，复杂图形处理，初学困 难，适合专业人员，常称为工 作站【需要学习】
系统的历史
• Windows的前身是DOS系统，没有图形界 面。是从Linux学习的。Windows 系统把 DOS作为一个程序运行(cmd)。
• Linux系统大部分工作需要命令行运行，但 开始就有图形界面xwindows，但仅作为一 个程序运行。
‘自windows发布以来， 它总是在你最需要它的时候出问题’
• 对双启动的机器，采用同一个程序，在MS 下用VisualFortran编译后的运行时间是同 一个程序在Linux下Fortran编译后的运行时 间的数倍以上。除编译器本身外，与操作 系统设计，与MS过多占用系统资源有关。
纳米材料的基本概念和性质汇总
特殊的物理和化学性质：
镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调 制掺杂效应，该结构相当于大原子-超原子膜材料， 具有三维特征。
纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 这类集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构， 导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。
5、纳米固体材料
定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体 材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体， 结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块 体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。
纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面， 如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界， 原子的扩散系数要比大块材料高 1014～ 1016 倍，从而 使得纳米材料具有高韧性。
按结合方式：范德华力：H、Ne、Ar、Ke、Xe
离子键：LiF、NaCl、CuBr、CsI
化学键：C60、金属原子团簇
特点：
尺
寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围
存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体 液体，介于两者之间 产生条件：作为原子聚集体，多产生于非平衡条件
纳米复合材料的性质：
同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。 强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材 料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料 的强度、弹性模量就越高。
纳米材料与团簇物理
《纳米材料与团簇物理》课程报告题目纳米团簇研究进展及其应用魏智强指导教师祝杰名姓908 级班级班082070205016 号学纳米团簇研究进展及其应用团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，现在普遍认为直径在1～100nm尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。
这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100nm 以上的粒子有着明显的区别，但对其性质远没有深入研究。
迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm，而光刻的最小尺寸也只能接近100nm( Intel公司PentiumIII微处理器使用的光刻技术达到180nm)，胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。
因此纳米团簇的发现正为填补这段间隙的研究架起了桥梁。
虽然早在1857年Faraday就对纳米级的金属胶体的制备和性质有所研究，但真正有目的地研究纳米材料却还是在20世纪60年代，到20世纪80 年代这方面的研究进程才明显加快。
这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。
它的丰富物理内涵，对物理提出了新的挑战，也是当前物理与其它学科交叉最富有活力的热点领域。
团簇和纳米体系是研究介观尺寸范围内出现的物理现象和物理效应。
纳米体系物理主要是探索尺寸限域引起的量子尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而导致纳米体系具有与常规宏观体系和微观体系不同的新的物理现象和效应。
由于纳米材料尺寸小，与电子的德布洛意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强。
尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现了分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。
例如纳米材料的熔点显著降低。
一般来讲，纳米结构材料与其对应的正常态材料相比，密度降低，强度和硬度提高，塑韧性改善，扩散能力提高，热膨胀系数增加，导热性减小，弹性模量降低。
纳米材料与纳米团簇
1990年美国国际商业机 器公司（IBM）的艾格 勒在镍金属（110）表面 用35个氙原子排出 “IBM”字样。
1993年中国科学院北京 真空物理实验室操纵原 子写出“中国”二字。
1991年，日本科学家饭 岛澄男发现碳纳米管， 它的质量只有同体积钢 的1／6，强度却是钢的 100倍。用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月 球上挂到地球表面，而 不被自身重量所拉断的 绳索 。
界面效应
纳米材料具有非常大的界面。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，使材料具有新奇的界面 效应。
界面效应
纳米铁材料，可以制成高强度、高韧性的 特殊钢材，强度提高12倍，硬度提高2～3 个数量级。屈服强度和抗拉强度分别超过 1200 MPa和1400 MPa。
5、 用于制造微型武器。利用纳米技术可以
把传感器、电动机和数字智能装备集中在一 块芯片上，制造出几厘米甚至更小的微型装 置。在未来战场上，将出现能像士兵那样执 行军事任务的超微型智能武器装备。据报道， 美国研制的小型智能机器人，大的像鞋盒子 那么大，小的如硬币，它们会爬行、跳跃甚 至可飞过雷区、穿过沙漠或海滩，为部队或 数千公里外的总部收集信息。微型机电武器 还可用于敌我识别、探测核污染和化学毒剂、 无人侦察机等。
5、纳米技术如果应用在陶瓷上，可使陶瓷具有超 塑性，大大增强了陶瓷的韧性，不怕摔，不怕碎， 陶瓷坚固无比。另外，还能用纳米技术识别化学和 生物传感器材料。令科学家高兴的是，纳米钛与树 脂化合后生成的多种全新涂料，具有多种同类产品 无法相比的优越性，在海水中浸泡10年不损，并 具有神奇的自我修复能力和自洁性，纳米钛还作为 唯一对人植物神经、味觉没有任何影响的金属，其 用途广泛。
纳米材料与纳米团簇
5、 用于制造微型武器。利用纳米技术可以
把传感器、电动机和数字智能装备集中在一 块芯片上，制造出几厘米甚至更小的微型装 置。在未来战场上，将出现能像士兵那样执 行军事任务的超微型智能武器装备。据报道， 美国研制的小型智能机器人，大的像鞋盒子 那么大，小的如硬币，它们会爬行、跳跃甚 至可飞过雷区、穿过沙漠或海滩，为部队或 数千公里外的总部收集信息。微型机电武器 还可用于敌我识别、探测核污染和化学毒剂、 无人侦察机等。
纳米金属与陶瓷
金属纳米颗粒对光吸收显著增加；熔点会显著 下降。金的熔点在一般情况下是1064℃,2nm的 金颗粒熔点降为330℃ 。 纳米陶瓷只需用不高的温度即可将其熔化并烧 结成耐高温的元件。普通陶瓷没有足够的韧性。 而纳米陶瓷甚至能够具有超塑性质。
量子效应
大块材料的能带可以看成是连续的，而 纳米材料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出一系列与宏 观物体截然不同的反常特性，称之为量 子效应。
纳米催化剂
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时， 比表面积猛增到450m2/g。 如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催 化剂； 用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温(270～ 300℃)下将CO2分解为碳和水; 如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1wt%的 纳米Al或Ni粒子，每克燃料的燃烧效能可提高一 倍。
I
e2 2C
V
e2 k BT 2C
原子团簇
原子团簇：几个， 几十个，成千上万 的原子的聚合体。 0.1nm~10nm 性质既不同于单个 原子、分子，也不 同于固体或液体
纳米材料的热学性质
纳米材料与团簇物理结课论文纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l5～5 0％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
纳米材料的热学性质概述一、纳米材料的熔点及内能材料热性能与材料中分子、原子运动行为有着不可分割的联系。
当热载子(电子、声子及光子)的各种特征尺寸与材料的特征尺寸(晶粒尺寸、颗粒尺寸或薄膜厚度)相当时，反应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。
图1 几种纳米金属粒子的熔点降低现象上图（图1）为几种纳米金属粒子的熔点降低现象。
随粒子尺寸的减小，熔点降低。
当金属粒子尺寸小于10nm后熔点急剧下降，其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半，用高倍率电子显微镜观察尺寸2nm的纳米金粒子结构可以发现，纳米金颗粒形态可以在单晶、多晶与孪晶间连续转变。
这种行为与传统材料在固定熔点熔化的行为完全不同，伴随着纳米材料的熔点降低，单位质量粒子熔化时的潜热吸收(焓变)也随尺寸的减小而减少。
人们在具有自由表面的共价半导体的纳米晶体、惰性气体和分子晶体也发现了熔化的尺寸效应现象。
根据固体物理的基本原理，可以说明材料热学性质出现尺寸效应的根本原因，一般情况下，晶体材料的内能U可依据其晶格振动的波特性在德拜假设下估计出，即：(1) 式中，Θ为德拜温度；k为波矢；T为热力学温度；h为普朗克常数；k B为玻尔兹曼常数。
团簇 纳米材料的尺度概念
团簇纳米材料的尺度概念
团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离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，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。
团簇是材料尺度纳米材料的一个概念。
团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太小，用小块固体描述又显得太大，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。
因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态，或者说，代表了凝聚态物质的初始状态。
新团簇材料的研究尚处于发展阶段，主要集中在其物理性质研究方面。
1、硅、锗、碳等IV族元素团簇嵌入玻璃、沸石、氟化锉等基质中，会出现光学频移、非常的激子态、振状态、电子态及电子输运等量子受限特征，团簇材料随尺寸变化的电子态特征尤其使人感兴趣，如多孔硅发光受限Cd和Se等团簇的发光蓝移及碳球团簇光致发光等。
2、团簇材料的非线性响应及超快弛豫特征。
3、纳米尺寸金属团簇间的自合金化。
4、过渡金属团簇材料的奇异磁性质。
第二章-2-2零维纳米材料（团簇、[兼容模式]
![第二章-2-2零维纳米材料（团簇、[兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/27c267d66137ee06eff918d8.png)
Nie Shuming-Emory Uni.
17
2012/10/17
如何提高发光的量子产率？
Organically, Surface passivation by oxygen, ligands, and other molecules in the environment; the static passivation of surface defects by polymers and polar molecules. Photo activation. Photo activated rearrangements of ligand molecules stabilize the surface states and increase the probability of trapped charge carriers thermalizing into emissive states!
O.M. Yaghi
7
2012/10/17
MOF-200
以Zn4O(CO2)6 作为基本结构 单元，以 4,4’,4”[benzene1,3,5-triyltris(ethyne2,1diyl)]tribenzo ate (BTE)等有 机分子为连接 分子。
量子点（Quantum Dots）
定义：量子点是由少量原子组成， 能把导带电子、价带空穴及激子 在三个空间方向上束缚住而导致 量子限域效应的准零维半导体纳 米结构。量子点，电子运动在三 维空间都受到了限制，因此有时 被称为“人造原子” 。
H.J. Freund, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011.
6
2012/10/17
Fluorescent Gold Nanoclusters-Cellular Imaging
纳米材料与纳米团簇
随着技术的不断进步和应用需求的增加，纳米材料和纳米团簇有望 在能源、环境、医疗等领域发挥重要作用。
产业化和商业化
随着研究的深入和技术的发展，纳米材料和纳米团簇的产业化和商业 化进程将加速，有望成为未来重要的经济增长点。
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医学应用
药物传递
纳米团簇可以用于药物传递，将药物直接输送到病变部位，提高 药物的疗效和降低副作用。
医学成像
纳米材料可以提高医学成像的分辨率和灵敏度，如MRI、CT等。
生物检测
纳米材料可以用于检测生物分子和细胞，如免疫检测、基因测序 等。
环境应用
环保材料
纳米材料可以用于制造环保材料，如水处理剂、 空气净化剂等。
稳定性问题
纳米材料可能存在稳定性 问题，如氧化或聚集，这 会影响其应用。
生物性质
生物相容性
01
一些纳米材料可以被设计为生物相容的，用于药物输送、组织
工程或生物成像。
生物降解性
02
一些纳米材料可以在体内自然降解，从而减少长期毒性问题。
细胞和组织相互作用
03
纳米材料可以与细胞和组织发生相互作用，影响其生长、分化
02 纳米团簇简介
定义与特性
定义
纳米团簇是由几个至数千个原子 、分子或离子通过物理或化学键 结合形成的稳定纳米尺寸的聚集 体。
特性
具有尺寸依赖性、表面效应、量 子效应和宏观量子隧道效应等特 性。
ห้องสมุดไป่ตู้
分类与应用
分类
根据组成和结构，纳米团簇可分为金属团簇、半导体团簇、分子团簇等。
应用
在催化、能源、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的聚集状态及其对性能的影响
纳米材料的聚集状态及其对性能的影响近年来，纳米材料已成为材料科学与技术领域中备受瞩目的研究对象。
其独特的物理、化学和力学性能使其在诸多领域中具有广泛的应用前景。
然而，纳米材料的聚集状态对其性能有着重要的影响。
下面，我们将探讨纳米材料的聚集状态及其对性能的影响。
一、纳米材料的聚集状态纳米材料的聚集状态可以分为单分散和聚集两种情况。
单分散指的是纳米颗粒均匀分散在溶液或基底中，没有发生聚集现象。
而聚集则是指纳米颗粒之间发生相互接触或靠近，形成团簇或聚集态。
纳米材料聚集的形式多种多样，如团块状、链状、无规状等。
二、纳米材料聚集状态的影响因素纳米材料聚集的形态和程度受到多种因素的影响，主要包括溶液条件、表面性质以及相互作用力等。
首先，溶液条件对纳米材料的聚集状态具有重要影响。
溶液的浓度、温度、pH 值等参数都会影响纳米颗粒之间的相互作用力，从而影响其聚集态。
例如，高浓度的溶液中纳米颗粒之间的相互作用力较强，容易形成团簇或聚集态。
其次，纳米颗粒的表面性质对其聚集状态也起着关键作用。
纳米颗粒的表面性质与材料的尺寸、形态以及表面修饰有关。
表面修饰可以通过引入功能性分子、表面活性剂等手段进行，可以改变纳米颗粒之间的相互作用力，从而影响其聚集态。
最后，相互作用力是影响纳米材料聚集状态的重要因素。
相互作用力包括静电力、范德华力、电磁力等。
这些力会使纳米颗粒之间产生相互吸引或排斥作用，进而影响纳米材料的聚集状态。
例如，静电斥力可以使纳米颗粒保持单分散状态，而静电吸引力则会促使纳米颗粒发生聚集。
三、纳米材料聚集状态对性能的影响纳米材料的聚集状态对其性能具有显著影响。
聚集状态不仅会改变纳米材料的形貌，还会对其光学、电学、热学等性质产生影响。
首先，纳米材料的聚集状态会影响其光学性质。
纳米颗粒之间的相互作用可导致光的散射、吸收和透射的差异。
聚集态的纳米材料通常会引起光散射增强效应，从而提高材料的光学性能。
其次，纳米材料的聚集状态对其电学性质也有重要影响。
团簇科学的基本概念及其在纳米材料合成中的应用
团簇科学的基本概念及其在纳米材料合成中的应用在当今科技领域中，纳米材料合成成为了研究的热点之一。
作为纳米材料合成的重要手段之一，团簇科学因其独特的优势而备受关注。
本文将介绍团簇科学的基本概念，并讨论其在纳米材料合成中的应用。
一、团簇科学的基本概念团簇科学是研究原子或分子聚集体的科学，旨在深入理解团簇的物理、化学及材料特性。
团簇指的是由几个至数千个原子或分子组成的超分子结构。
相对于宏观材料，团簇具有尺寸小、化学反应活性高以及性能可调控等特点。
团簇科学的研究内容主要包括：团簇的合成、团簇的结构和性质以及团簇在材料科学中的应用。
其中，团簇的合成是团簇科学的核心内容，也是团簇在纳米材料合成中的关键环节。
二、团簇科学在纳米材料合成中的应用2.1 团簇在纳米材料结构控制中的应用团簇作为构筑纳米材料的基本单位，其结构对纳米材料的性质具有重要影响。
通过调节团簇的组成、形状和尺寸等因素，可以实现对纳米材料结构的精确控制。
例如，在金属纳米材料的合成过程中，通过控制金属团簇的成核和生长过程，可以精确调控金属纳米颗粒的尺寸和形态。
此外，利用不同的官能团或配体对金属团簇进行修饰，可以实现对纳米材料表面的改性，进而调控其物理和化学性质。
2.2 团簇在纳米催化剂合成中的应用团簇催化是纳米催化剂合成的重要手段之一。
通过合理设计和制备特定组成和结构的团簇，可以获得高效、高选择性的催化剂。
例如，在催化剂合成过程中，通过合成相对稳定的合金团簇，可以实现催化剂的尺寸和组分的精确控制。
此外，团簇催化还可以在原子层尺度上调控催化剂表面和表面原子的状态，从而提高催化活性和选择性。
2.3 团簇在纳米材料性能调控中的应用团簇作为纳米材料的基本构建单元，可以通过调控其组分、形貌和尺寸等参数，实现对纳米材料性能的调控。
例如，通过合成金属团簇，可以调控其电子结构和表面等能级，从而调控纳米材料的光学、电学性能。
此外，通过将有机分子或配体引入到纳米材料团簇中，可以实现对纳米材料的组装和修饰，从而调控其磁学、热学性能。
材料结构与性能 第六章 团簇及纳米材料
高二政治选修3全套练习题专题三第三专题联邦制、两党制、三权分立：以美国为例单元测试一、单项选择题（本大题共30小题，每小题2分，共60分。
）美国宪法对联邦和州的立法权限做了比较明确的划分，联邦和州分别在各自的立法权限范围内进行立法。
宪法第十修正案规定了联邦和州立法权限划分的准则：联邦拥有宪法“授予的权力”，州拥有“保留的权力”。
据此回答1～3题。
1.上述材料表明美国联邦政府与州政府的关系有以下特征（）①联邦与州分享政治权力②联邦与州在各自的权力范围内享有最高权力③联邦与州的分权不利于美国经济的发展④联邦地位高于州A.①②③④B.①②C.②③④D.①②④2.美国建国以来，联邦与州之间的权力争夺从未停止过，关于二者的权力，下列说法正确的有（）①各州政府官员由总统任命②都享有对人民的直接管辖权③各州的权力来自中央政府④联邦与州都拥有外交权，是独立的国际交往主体A.②③④B.②C.②③D.①②④3.下列说法不符合美国联邦制的是（）A.国家主权属于联邦B.联邦法律是国家的最高法律C.美国内战的结束有利于联邦制的巩固D.“州权主义”活跃有利于联邦制的发展在选举中，政党的命运取决于选票，两党为争夺民众，不得不竞相提出符合选民利益的政策主张。
据此回答4-5题。
4.这些政策和立法在客观上（）①.反映了一定的民意②促进了社会制度的变革③有利于政治体制改进④.在一定程度上提供了民众参与国家政治生活的渠道A.①②③④B.②④C.①④ D.②③5.这些政策和主张不能体现其实质的是（）①.两党制是资产阶级不同利益集团之间相互监督和制衡的机制保障②为了争取民意，满足劳动人民的愿望和要求③.为了使国家的整体利益得到保障④.使本政党兴旺发达A.①②③B.②③④C.①②④ D.①③④6.北美战争后，美国实行邦联制，后来实行联邦制，其原因是（）①邦联制国家的真正权力在州，中央的权力很软弱②美国实行邦联制期间，政府难以应付经济衰退、社会动荡和外部军事威胁等问题③美国爆发了反对当局的人民起义，使争权夺利的资产阶级各派有了一种共同的“危机意识”④美国资产阶级革命不彻底A.①②③④B.②③④C.①②③D.②③7.联邦制下的美国，联邦政府与州的关系有如下基本特征（）①联邦与州分享政治权力。
第五章 团簇及纳米材料
• 2 布基葱 布基葱的结构类似于洋葱，由多层同心的碳笼子组成， 中心是一个C60，各层间距为0.334nm，与石墨的层间 距非常接近。实验上可得到～70层的碳球，直径约为 47nm。 实验发现，布基葱可能是星际尘埃的主要成分。
2.气相合成法
（1）蒸发和气体冷凝法
将物质元素或化合物放在低压的惰性气体腔室的蒸发皿 中，高温加热至气化，与惰性原子或分子碰撞，迅速冷却， 形成原子团簇。
气体冷凝法形成 团簇示意图
(2) 激光蒸发和激光热解 利用光学聚焦系统把激光聚焦到很小的区域，使焦 耳级的能量作用到固体靶表面，靶表面微区温度极高 （可达上万度），发生离子发射或中性粒子蒸发，再用 惰性气体冷却，聚集成团簇。获得难熔物质的团簇。
1 绝大多数原子团簇的结构不确定 形状可以有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等，当 团簇尺寸很小时，增加原子，会发生结构上的变化，即重构。当 团簇尺寸达到某个临界值时，增加原子，结构不再发生重构。
原子数 形状
2 少数团簇存在稳定结构
团簇是由原子数逐步增加而发展起来的，但也存在幻数（频 率出现特别高的原子数目叫做幻数，结构稳定），不同物质 具有不同的幻数值和结构。 惰性元素：Xe团簇，n=7, 13, 19, 55
在半导体的范围。因此C60是继Si、GaAs、GaN之后的又一
新型半导体材料。 C60掺K、Rb(铷)、Cs后变为半导体 A3C60。掺入一定量的碱 金属，形成K3C60或Rb3C60等，K或Rb占据八面体和四面体 间隙，成为三维超导体。K3C60和Rb3C60的超导转变温度分 别为18K和30K，
5.1.3 原子团簇的制备方法 人工产生团簇的基本方法：
真空合成法 气相合成法 凝聚相合成法
纳米材料导论第一章纳米材料的基本概念与性质
1.1.5 纳米复合材料
❖ 0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米固体;
❖ 0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
❖ 0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布； 非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。
18
高韧性陶瓷材料、
人体修复材料和抗癌制剂等。
12
1.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系
定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的 薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或 多层膜 具有特殊的物理性质和化学性质
13
纳米级第二相粒子沉积镀层举例
(Ni-P)-纳米Si3N4复合层 用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀液的第二相 粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷镀的方法使Ni-P合金与 纳米Si3N4微粒共沉积于基体表面.它具有沉积速度快、镀层硬 度高和耐磨性好等优异的性能.
27
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这 一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒 子的量子尺寸效应进行了深人的分析。
久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能 级状态分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米 面附近电子态能级分布的传统理论不同，有新的特点， 这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效 应原大块金属的准连续能级产生离散现象．
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。
纳米技术名词解释
纳米技术名词解释
纳米技术名词解释
1. 纳米材料：纳米材料是指尺寸小于100纳米的原子、分子或团簇组合而成的材料。
它具有与微米结构材料不同的物理性质，可以用来制备新型的功能材料。
2. 纳米结构：纳米结构是指具有纳米尺度的结构。
它的特点是纳米尺寸大小，形状复杂，具有较高的表面积和较大的表面活性。
3. 纳米制造：纳米制造是指利用人工制造出尺寸为100纳米以下的结构，它是一种模拟自然界微观结构特征的方法，可以将纳米尺度结构应用于材料、功能体系和器件中。
4. 纳米技术：纳米技术是指以微小物质为基础，运用微观结构技术制造能量转换、传感、储存及功能等器件的科学技术。
它是未来新型功能材料制备的关键技术，涉及多学科领域，包括物理化学、材料科学、生物学、机械工程等。
- 1 -。
《纳米(ZnO)_n团簇及其吸附重金属离子的结构及性质的DFT研究》范文
《纳米（ZnO）_n团簇及其吸附重金属离子的结构及性质的DFT研究》篇一一、引言随着纳米科技的发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质，在诸多领域中发挥着重要作用。
氧化锌（ZnO）因其优良的光学、电学及催化性能，被广泛应用于光电器件、传感器、催化剂等。
而ZnO团簇作为纳米材料的基本单元，其结构和性质的研究对于理解纳米材料的性能至关重要。
本文采用密度泛函理论（DFT）方法，对纳米（ZnO）_n团簇及其吸附重金属离子的结构及性质进行了研究。
二、方法与理论本研究所采用的理论方法是密度泛函理论（DFT），它是一种量子力学方法，可用于计算多粒子系统中电子的结构和动力学行为。
对于ZnO团簇及重金属离子吸附的研究，我们选取了合适的基组和交换关联函数，以确保计算的准确性和可靠性。
三、（ZnO）_n团簇的结构及性质（一）结构特点通过DFT计算，我们发现（ZnO）_n团簇具有独特的结构特点。
随着n的增加，团簇的形状和大小发生变化，但其基本的Zn-O配位结构保持不变。
每个锌原子周围都有四个氧原子配位，形成四面体结构。
这种结构使得（ZnO）_n团簇具有良好的稳定性和优异的物理化学性质。
（二）电子性质通过分析计算得到的电子密度分布和能带结构，我们发现（ZnO）_n团簇具有半导体性质。
其电子在能级间的跃迁行为决定了其光学和电学性质。
随着n的增加，能级间的能隙逐渐减小，使得团簇的导电性增强。
四、重金属离子在（ZnO）_n团簇上的吸附（一）吸附结构我们研究了多种重金属离子在（ZnO）_n团簇上的吸附行为。
通过DFT计算，我们发现重金属离子与团簇之间存在较强的相互作用，形成了稳定的吸附结构。
吸附后，重金属离子的电子结构和化学性质发生了显著变化。
（二）吸附性质吸附重金属离子后，（ZnO）_n团簇的电子性质和光学性质发生了明显变化。
这主要是由于重金属离子的引入改变了团簇的电子密度分布和能级结构。
此外，吸附过程还可能影响团簇的催化性能和稳定性。
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《纳米材料与团簇物理》课程报告题目纳米团簇研究进展及其应用指导教师魏智强姓名祝杰班级08级9班学号082070205016纳米团簇研究进展及其应用团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，现在普遍认为直径在1～100n m尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。
这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100 nm以上的粒子有着明显的区别，但对其性质远没有深入研究。
迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm，而光刻的最小尺寸也只能接近10 0nm( Intel公司PentiumIII微处理器使用的光刻技术达到180nm)，胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。
因此纳米团簇的发现正为填补这段间隙的研究架起了桥梁。
虽然早在1857年Faraday就对纳米级的金属胶体的制备和性质有所研究，但真正有目的地研究纳米材料却还是在20世纪60年代，到20世纪80年代这方面的研究进程才明显加快。
这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。
它的丰富物理内涵，对物理提出了新的挑战，也是当前物理与其它学科交叉最富有活力的热点领域。
团簇和纳米体系是研究介观尺寸范围内出现的物理现象和物理效应。
纳米体系物理主要是探索尺寸限域引起的量子尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而导致纳米体系具有与常规宏观体系和微观体系不同的新的物理现象和效应。
由于纳米材料尺寸小，与电子的德布洛意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强。
尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现了分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。
例如纳米材料的熔点显著降低。
一般来讲，纳米结构材料与其对应的正常态材料相比，密度降低，强度和硬度提高，塑韧性改善，扩散能力提高，热膨胀系数增加，导热性减小，弹性模量降低。
此外还具有一些独特的物理性能，如超弹性模量现象、磁致热效应等。
对纳米粒子的研究大体分为个体研究和群体研究两类。
对纳米材料的个体研究需要精确的设备及微操纵系统，它是纳米材料学研究的基础。
而对纳米粒子群体的研究则以组装纳米材料及其器件的研究最具理论和应用价值。
对具有特异性的单个分子团簇、原子簇进行有序的组装或制备特定的器件，可以使分子团簇、原子簇的特异性、微观性在宏观上得以表达，使无序的状态变成有序状态，使简单的组装研究向自组装方向发展。
纳米团簇可以组装成超晶格，在新层次上获得新功能和新特性。
纳米材料的界面结构和表面结构能够影响材料的性质，由于纳米粒子的直径比较接近电子的平均自由程，所以许多宏观的物理和化学理论已不再适用于纳米粒子，现在一些新的理论已应运而生。
纳米粒子的几个主要的特性表现为：①表面效应。
当固体粒子直径小于100nm时，固体表面的特殊性质开始表现出来，这主要是由于表面原子数目占主体原子数目的比例开始明显升高，粒子越小，表面原子数占主体原子数的比例就越高。
纳米粒子表面的许多原子处于多个方位无原子接近的状态，所以活性很高，易发生位置的移动或与周围的其他物质发生作用。
纳米粒子的这一性质已被广泛用于催化反应和表面修饰的研究中。
②久保( Kubo)效应。
Kubo效应是指当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。
③稳定性与幻数。
许多原子团簇中原子的个数不是任意的。
对某一特定原子团簇而言，只有原子数为某些固定值时，团簇才有最高的稳定性，原子团簇以这些数目出现的概率最高。
人们把相对稳定的团簇中所包括的原子个数( n)称为幻数。
不同元素的团簇其幻数是不同的，即使同一元素，若制备方法不同其幻数也可能不一样。
纳米团簇化合物是指纳米粒子与其他离子、分子和超分子通过化学键或分子间力结合形成具有新的特性和功能的化合物或超分子。
它又被称为单层保护团簇。
对纳米粒子表面进行单层有序的修饰可以赋予纳米粒子以新的功能和特性，这一过程又称为对纳米粒子进行三维单层自组装。
对纳米粒子表面进行修饰可以实现如下目的：①提高纳米粒子的稳定性。
在液相中，由于金属纳米粒子表面的高活泼性使稳定性一般比较差，而修饰过的纳米粒子的稳定性明显提高。
通过修饰可制得每个颗粒相对独立的固态粉末，颗粒之间不易聚集使纳米粒子特异效应的表达更加充分。
②实现催化功能。
表面可以修饰上各种各样的活性基团，对均相和异相化学反应、光化学反应和电化学反应起催化作用。
③有利于纳米粒子之间的自组装。
纳米粒子表面修饰的离子、聚合物、分子或超分子与其他表面修饰的纳米粒子相互作用自组装成超晶格。
对纳米粒子表面的修饰可以在制成的粒子表面修饰，也可以在制备纳米粒子过程中进行修饰。
万物皆由原子分子构成，但原子分子如何构成大块物质，其中一个重要的过渡区域就是团簇。
团簇是介于微观原子分子与宏观固体之间物质结构的新层次，具有奇异的物理化学性质。
研究原子团簇的形成、结构和性质为研制新型结构与功能材料开辟了一条崭新途径，至今该领域已取得如下一些重大进展。
下面对不同类型的団簇进行一个简单的介绍。
Hn 团簇与纳米金属氢材料的研究：对氢原子团簇和金属氢形成的理论研究非常重要，一方面，它是原子与分子物理学和凝聚态物理学的重要前沿。
利用量子力学新方法来研究Hn的形成，可了解从少数氢原子到多数氢原子的凝聚规律，以及如何过渡到大块金属氢材料，为材料设计提供依据，且不断完善和发展现有的处理凝聚态的理论方法。
这种从原子分子层次出发来研究和设计新材料的指导思想，是当前材料科学发展的一大趋势。
另一方面，苟清泉提出了从氢原子团簇的定量计算与分析入手来研究金属氢的形成，进而阐明高压合成金属氢的可能性。
该物理思想实际上把超高压合成的金属氢视为由纳米级的氢原子团簇组成。
即金属氢是一种纳米金属材料。
过去我们用改进的排列通道量子通道量子力学方法(MACQM)对Hn和H+n的结构与能量进行了理论研究和计算。
结果表明，面心立方结构(FCC)的金属氢比体心立方结构(BCC)及六角密堆积结构(HCP)更稳定，从而较全面地验证了金属氢高压合成机理的合理性。
接着发现FCC结构的纳米金属氢具有Kubo效应。
Hn 团簇的结合能和第一电离能均存在明显的尺寸关联效应和形状关联效应。
我们的理论研究表明，只要研究好一个晶胞的原子团簇的形成问题，就可推知大单晶的形成问题，这实际上为晶体的形成与长大提出了一个根本的新理论。
金属氢不仅是一种高效核聚变燃料的高效炸药，而且是一种高温超导材料(理论预言Tc=308K)。
关于它的高压合成目前取得了两方面的进展，一是1996年美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的动高压合成，采用二极轻气炮动高压合成装置，在瞬间高压(114×1011Pa)下，制成了金属化氢。
另一是美国卡内基学院的毛河光等人于1989 年的静高压合成，利用金刚石对顶钻(DAC)装置，将固体氢置于低温(77K)和高压(215×1011Pa)下氢变黑，与此同时Raman 谱消失，这可能是分子已开始拆键变成原子相金属氢的征兆。
目前高压金属氢的合成研究正处在一个蓬勃发展时期。
稀有气体原子团簇与X 射线激光器及超流性材料研究美国Charles Rohodes 用强紫外短脉冲辐射Krn 和Xen 团簇发出012～013nm的X 射线。
这一发现找到通往X 激光器的新途径。
在形成团簇的原子中，强外场使外层弱束缚电子振荡。
外层电子的这种运动是相干的，形成一振荡电荷云，当辐照强度和团簇尺寸满足一定关系时，辐照能量便有效地传给内壳层电子，内壳层电子离化，产生深原子空穴，空穴接着被填充，立即发射硬X 射线。
单个的稀有气体原子不具有电子亲和力，这已由著名的电子与稀有气体原子散射实验的Ram sauer-Town send 效应所证实。
但稀有气体团簇能束缚一个额外电子，具有一定的亲合力(约015eV)。
此外，对Hen 团簇的研究对研制超流性材料具有重要意义。
碳团簇C60及超级纤维碳纳米管：自80年代末C60团簇结构发现以来，它一直是物理学、化学和材料科学共同感兴趣的研究课题。
掺杂K3C60等超导材料的合成及碳纳米管的发现，更增添了基于C60合成新型的结构与功能材料的热情和信心。
未掺杂的碳纳米管具抗磁性，而掺Co 碳纳米管却呈现超顺磁性。
碳纳米管的强度比铜高100倍，但重量只有铜的1/6。
把C60从纳米管的一端移到另一端可改变每一端电气性质，这可用于研制超微开关，把金属原子嵌入置于纳米管的C60球内，就成为一根直径只有一个原子宽的金属导线这是理想的导体，其导电性能远远超出铜。
硅团簇Sin及新型发光材料研究：硅团簇Sin 结构和性质的研究一直是当今非常活跃的研究领域，激光蒸发与质谱结合可制备大小可选择的Sin 团簇。
把蒸发后的气相硅原子团簇Sin 沉积在固体基体上，可以用来确定Sin 团簇的结构与性质。
实验发现，在室温下，具有不同结构的Sin 团簇的光学吸收和荧光发光谱不同，即Si8 团簇的光学性质呈现形状相关效应。
链状和梯形结构的Si8可在紫外区域观察到吸收谱，简立Si8团簇在214eV 处有一吸收带而且在315eV 附近有一大的吸收。
理论研究表明不同形状团簇之间的光学性质不同是由于团簇的轨道杂化和成键方式不同引起的。
此外Sin 团簇光学性质呈现尺寸关联效应。
实验发现，一定尺寸范围的小硅团簇与NH3、O2、H2O 和C2H4 的反应活性与大块材料的表面相比相当小，这表明小Sin 团簇的相对惰性。
具有这样一些硅单元构成的纳米材料，一方面具备与大块多晶硅相似的所有性质，另一方面则具有相当程度的惰性。
这一性质是电子器件制造中非常需要的。
Sin 团簇在团簇组装材料中是一类主要可能的结构单元，已研究了选择幻数Sin 团簇中的Si6、Si10、Si13、Si19和Si45作为组装材料的结构单元。
磁性原子团簇：过渡金属原子团簇因其可望合成新的高磁性材料和新的高效催化剂而备受关注。
与体材料相比，原子簇具有较小的几何尺寸和较大的表体化，使得其原子平均配位数减少、体系对称性高和能带变窄。
由于这些效应，对于过渡金属原子团簇，人们期望，一方面，铁磁材料的原子簇每个原子的平均磁矩将比其对应的体材料值大；另一方面，在由体材料不显磁性的元素组成的原子簇中可望发现磁性。
对于第一过渡金属(3d )原子簇的磁性已有大量的理论和实验研究。
结果表明，Fen、Con Nin 团簇的原子平均磁矩比相应的体材料具有更强的磁性。
而对于Vn 和Crn 团簇实验发现不呈现磁性。
第二过渡金属(4d )原子簇的磁性研究近两年得到蓬勃发展，基于自洽场分子轨道理论的DV-XA方法理论计算和利用改进的斯特恩-盖拉赫装置实验测试表明，Rhn 团簇具有磁性(其每个原子的平均磁矩为018LB，而其体相并无磁性。