纳米功能材料试题大学期末复习资料

《纳米功能材料》—思考题

第一章、概论

1.纳米材料定义及分类。

定义：利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。

分类：纳米粒子（零维纳米结构）；纳米线、纳米棒（一维纳米结构）；薄膜（二维纳米结构）；纳米复合材料和纳米晶材料（三维纳米结构）。

2.功能材料定义及分类。

定义：是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。

分类：常见的分类方法：（1）按材料的化学键分类：金属材料、无机非金属材料、有机材料、复合材料；（2）按材料物理性质分类：磁性材料、电学材料、光学材料、声学材料、力学材料；其他分类方法：（3）按结晶状态分类：单晶材料、多晶材料、非晶态材料；（4）按服役的领域分类：信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。

3.按照产物类型，纳米材料如何划分类别。

按照产物类型进行划分：（1）纳米粒子（零维）：通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成；（2）纳米棒或纳米线（一维）：通过模板辅助电沉积，溶液-液相-固相生长技术，和自发各向异性生长的方式合成；（3）薄膜（二维）：通过分子束外延和原子层沉积技术合成；（4）纳米结构块体材料（三维）：例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体

4.纳米结构和材料的生长介质类型？

（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；

（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等。

5.按照生长介质划分：

（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；

（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等

6.纳米技术的定义？

定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新工艺。

7.制备纳米结构和材料的2大途径是什么？各自的特点或有缺点？

两大途径：自下而上；自上而下。

8.什么是描述小尺寸化的“摩尔定律”？

当价格不变时，上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

9.根据自己的理解，说明促进纳米材料相关科学与技术发展的意义。

新世纪高科技的迅速发展对高性能材料的要求越来越迫切,而纳米材料的合成为发展高性能的新材料和对现有材料性能的改善提供了一个新的途径。纳米科技是一门新兴的尖端科学技术。它将是21世纪最先进、最重要的科学技术之一,它的迅速发展有可能迅速改变物质产品的生产方式,引发一场新的产业革命,导致社会发生巨大变革。正如像自来水、电、抗生素和微电子的发

明带来的变革一样,对人类认识世界和改造世界将会发挥不可估量的作用。

10. 说明表面能随粒子尺寸变化的规律，带来的性能变化主要体现在哪些方面？

表面能 γ：产生单位新表面时所需要的能量，也称为表面自由能、表面张力。

P

T ni A G ,,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=γ 可见粒子尺寸越小，其比表面积越大，即表面能越大。如面心立方结构的表面能：{}{}{}2111211022100322544221a a

a a εγε

γεεγ⋅===⋅⋅=

，亦可证实表面能随粒子

尺寸的减小而增大。

表面能高的物质其性能变化：稳定性小，活性高，熔点低，空气中易燃烧，

吸附能力强，催化性好，化学活性高

11. 降低表面能的途径和方法是什么？说明其中的原理。

降低表面能的途径：（1）表面驰豫，表面原子或离子向体内偏移，这种过程

在液相中很容易发生，而固态表面由于其刚性结构，难度有所提高；（2）表

面重构，通过结合表面悬挂键形成新的化学键；（3）表面吸附，通过物理或

化学吸附外部物质到表面，形成化学键或弱相互作用如静电或发范德瓦耳斯

力；（4）表面固态扩散，导致的成分偏析或杂质富集。

减小表面能的方法：（将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表面积）

（1）烧结，是一种用固-固界面替代固-气界面的工艺，是通过将单个纳米

结构无间隙地堆积一起并改变形态的一种方法。（2）Ostwald 熟化，是2

个单个纳米结构形成一个大的结构的过程。较大纳米结构的生长以牺牲小纳

米结构为代价，直到后者完全消失为止。

12. 说明Ostwald 熟化机理。

奥斯特瓦尔德熟化是大粒子吞噬小粒子。减小了固-气表面积。

（液态中）小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压，而大粒子具有

低溶解度或蒸汽压。为了保持局域浓度平衡，小粒子溶解到周围介质中；小

粒子周围的溶质进行扩散；大粒子周围的溶质将沉积。这一过程将持续到小

粒子完全消失

13. 曲率与化学势、平衡蒸汽压、溶解度的关系是什么？

Young-Laplace 方程 （化学势与曲率关系）：R Ω

=∆γμ2

Kevin 方程（球形粒子蒸汽压与曲率关系）：kRT

P P c Ω=∞γ2)ln( Gibbs-Thompson 关系式 （溶解度与曲率关系）：kT

R R S S c 1211)ln(--∞+Ω=γ 14. 材料研究的四要素及其相互关系。

（1）合成与加工：建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从

原子尺寸到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料和零

件的演变过程；（2）结构与成分：制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果；（3）性质：确定材料功能特性和效用的描述；（4）使用性能：材料固

有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。

结构 成分

使用

性能 性质 合成 加工