第一章 纳米材料概述
纳米科技概论第一章纳米材料的基本概念与性质.
状。
是由类似石墨的碳原子六边
形网格所组成的管状物，它
一般为多层，直径为几纳米 至几十纳米，长度可达数微
米甚至数毫米。
因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制 方面有着重要的应用前景： 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 纳米器件 超大集成电路(ULSIC)中的连线 光导纤维 微电子学方面的微型钻头 复合材料的增强剂等 目前关于一维纳米材料 (纳米管、纳米丝、纳 米棒等)的制备研究已有大量报道。
C60特性 笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多 表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定 具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 制备C60常用的方法： 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。
二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。
多元原子团簇有Vn(C6H6)m等．
原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学 键结合形成的化合物
C60的结构： C60(富勒烯) 由 60个碳原子排 列而成的32面 体，其中20个 六边形，12个 五边形，其直 径为0.7nm。
幻数：构成碳团簇的原子数 幻数为20，24，28，32，36，50，60，70,90具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。
第一章 纳米材料的基本概念与性质
基本内容
1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性
1.1 纳米材料的基本概念
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或由他们作为基本单元构成的材料。
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。
无机纳米材料
体积效应
纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。 如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。
纳米稀土复合氧化物做荧光材料 溶胶凝胶法制备镧-钼复合氧化物超细微粒催化剂(对苯甲醛的选择性）
纳米稀土复合氧化物 及其他纳米复合氧化物
其他无机纳米材料
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纳米SiC的制备：固-固法，固-液法
单击此处添加小标题
应用：制备复合陶瓷（书，141）
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纳米CaCO3的制备与应用
纳米SiC的制备与应用
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纳米CaCO3的制备与应用
添加标题
CaCO3的分类
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按粒径 微粒CaCO3；粒1-5μm
添加标题
微细CaCO3；0.1-1μm
添加标题
超细CaCO3；0.02-0.1μm
纳米二氧化硅
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。
1 纳米材料的基本概念.ppt
计算机技术
信
通信技术
息 主流核心技术 控制技术
技 术
软件技术 网络技术 广播电视技术
前沿技术
超导技术 生物技术 纳米技术 虚拟技术
有关信息的获取、传输、处理控制的 设备和系统的技术，3C技术是核心。 注：C5I：指信息获取、通信、处理、 控制、对抗（collection,communication Computing, control,countermeasure, intelligence )
Moore law提出后，曾有相当一部分人认为下一代的 器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。
因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作
逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个
过渡时期
纳电子器件。
三、Future Integrated Multichips Systems
RTD：quantum-wellresonant-tunneling diode
挑战: 减少癌症的病痛和死亡— 2015
“A Vision Not a Dream!” by using nanotechnology, A v. Eschenbach, NCI
手段/ 方法？
目标
早期发现 和诊断
2015 10m
现状
发现和诊断
恶性肿瘤 和转移
Year X 现在
过去 mm
Prevention 细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防
靶向药物、饥饿疗法 、热疗法治疗癌症
（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注
A
2.纳米电子器件概念的提出
（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次
纳米材料的基本概念与性质
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中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。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
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入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
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。
纳米材料概述
纳米材料概述纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸在纳米级别，即10^-9米。
纳米材料的研究和应用领域涉及物理学、化学、生物学、材料科学等多个学科，并在各个领域展现出广泛的应用前景。
纳米材料的特殊之处在于其具有独特的物理、化学和生物学性质。
由于其尺寸与一些重要的物理特性和表面效应相关，纳米材料表现出与宏观材料截然不同的性质。
例如，纳米材料的比表面积大大增加，使其具有更高的反应活性和吸附能力。
此外，纳米材料还具有量子效应、尺寸限制效应和界面效应等特征，使其在光电子学、催化剂、传感器等领域具有广泛的应用潜力。
在光电子学领域，纳米材料被广泛应用于光电器件的制备和性能改善。
由于纳米材料的尺寸与光波长接近，使其能够有效地吸收和发射光线，从而提高光电器件的效率和性能。
例如，纳米颗粒可用于制备高效的太阳能电池，纳米线可以用于制备高亮度的发光二极管。
此外，纳米材料还可用于制备高分辨率的显示器件和光学传感器，为信息技术和光学通信提供支持。
在催化剂领域，纳米材料具有更高的反应活性和选择性。
纳米材料的高比表面积和独特的表面结构，使其能够提供更多的活性位点和更好的催化效果。
纳米催化剂可以用于改善化学反应的速率和选择性，从而提高化工工艺的效率和产品质量。
例如，纳米金属催化剂可用于制备高性能的汽车尾气净化催化剂，纳米氧化物催化剂可用于制备高效的能源转换催化剂。
在传感器领域，纳米材料的高灵敏度和选择性使其成为理想的传感材料。
纳米材料的尺寸和表面特性使其能够与分子和生物体发生特异性的相互作用，从而实现对特定物质的高灵敏度检测。
例如，纳米颗粒可以用于制备生物传感器，实现对生物分子的快速、准确的检测。
纳米材料还可以用于制备化学传感器、气体传感器和光学传感器等，广泛应用于环境监测、食品安全和医学诊断等领域。
除了上述应用领域外，纳米材料还在材料科学、能源技术、生物医学、环境保护等领域展现出巨大的潜力。
例如，纳米材料可用于制备高强度、轻质的结构材料，用于航空航天和汽车工业；纳米材料可用于制备高效的能源存储和转换材料，如锂离子电池和燃料电池；纳米材料还可用于制备高效的生物传感器和药物传递系统，用于生物医学研究和治疗。
纳米材料的介绍
纳米材料的介绍一、纳米材料概述纳米材料是指纳米级尺寸的材料，具有良好的化学、光学等性能。
纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。
根据物理形态的不同，纳米材料可划分为五类：纳米薄膜、纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米相分离液体。
纳米材料的性能一般由量子力学决定，其光、电、磁、热性能与普通材料存在明显的差异。
相较于传统材料制品，纳米材料制品在光学、热学、力学、化学等性能方面具有明显优势。
从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1-100纳米范围内的一种固体材料。
主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。
因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。
这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。
目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。
二、纳米材料定义纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入地认识。
三、纳米材料的性质1、"强" 在电子，医保，环保，能源等领域具有更多的优势。
2、"高" 适用纳米材料制作的器材，拥有更高的耐热，导电，高磁导性，可塑性。
3、"轻" 纳米材料更加轻更加便利，体积变小的同时还可以提高效率。
纳米材料的毒性作用与生态危害研究
纳米材料的毒性作用与生态危害研究第一章纳米材料概述纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料，它具有具有独特的物理、化学和生物学性质。
因此，纳米材料在医学、能源、电子、材料、环境等领域有着广泛的应用前景。
随着纳米科技的发展，纳米材料的生态危害和毒性问题也引起了人们的关注。
第二章纳米材料的毒性作用2.1 毒理学概述毒理学是研究毒素或有害物质在生物体内的作用机制、剂量效应和致病过程的学科。
纳米材料在生物体内的毒性作用可以从以下几个方面来考虑：2.2 纳米材料的组织学和细胞学效应纳米材料可以进入生物体内的细胞和组织，并且与生物体内的组织细胞反应。
纳米材料可以穿过血脑屏障和其他生物屏障，导致神经功能障碍和细胞死亡。
此外，纳米材料还可以进入生物体的免疫系统，引起多种炎症反应。
2.3 纳米材料的生物相容性和毒性评估生物相容性是指材料与生物体相互作用后的影响，这是评估材料毒性的重要指标。
毒性测试需要确定纳米材料的剂量、时间和方式，评估其对生物体的影响。
常用的毒性测试包括细胞毒性测试、动物实验、人类神经细胞模型等。
第三章纳米材料的生态危害3.1 纳米材料的生物降解纳米材料的生物降解是指环境中的微生物和生物降解酶可以将纳米材料分解为无害物质。
然而，一些纳米材料由于具有毒性，它们的生物降解过程可能会对生态环境造成严重危害。
3.2 纳米材料的迁移与转化纳米材料在生态环境中会经历复杂的迁移和转化过程。
纳米材料的转化可能会导致生态环境中的毒性物质的释放。
纳米材料还可能通过食物链进入生态系统的各个层次，最终威胁到食品链的安全。
3.3 纳米材料对生态系统的影响纳米材料的大量应用进入环境后，可能会引起生态系统中的显著变化。
例如：生物物种数量的减少、生物环境中毒性物质含量的增加、食物链的破坏、生态系统的稳定性和可持续性的降低等。
第四章纳米材料的环境评估4.1 纳米材料的环境监测纳米材料的环境监测是纳米材料生态风险评估的重要步骤。
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。
第一章 纳米材料的基本概念和性质
河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相 当大的比例。
表1.3 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
纳米微粒尺寸/nm
包含总原子数 3×104 4×103 2.5×102 30
表面原子所占比例/% 20 40 80 99
10 4 2 1
随着纳米微粒粒径的减小，微粒中总原子数减小，而 表面原子占总原子的比例却显著增加
而λ=h/mv=h/p称为德布罗意波长公式。这种波也叫物质波， 它即不是机械波也不是电磁波而是一种"概率波"。
河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
小尺寸效应
纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新 领域：
纳米尺度的强磁性颗粒(Fe-Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴 临界尺寸时，具有甚高的矫顽力。可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁 性车票，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件和旋 转密封、润滑、选矿等领域。 纳米微粒的熔点可远低于块状金属，例如2nm的金颗粒熔点为600K， 随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低 到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
作业
1.试列举纳米颗粒的基本性质有 哪些？
2.试用纳米粒子的表面效应解释， 为什么纳米粒子易于团聚？有哪些 方法可以消除这种团聚？
河南理工大学材料学院 纳米材料导论-第二章
3.纳米微粒的物理特性
河南理工大学材料学院
纳米材料导论-第一章
3.1 纳米微粒的结构与形貌
通常情况下，纳米微粒为球形。但随着制备方法 和条件的不同，粒子的形貌并非都呈球形，而是 类球形。 有人曾用高倍超真空电子显微镜观察纳米粒子， 结果在其表面发现了原子台阶。
第一章 纳米材料概述
第一章 纳米材料概述
第一章 纳米材料概述
左图为非纳米结构 的表面，水珠滚动时 无法将灰尘带走
右图为具有纳米结构 的表面，水珠滚动时 可将灰尘带走
第一章 纳米材料概述
2、昆虫翅膀的自洁作用
飞行中的昆虫必须保持翅膀的平衡，即使上面沾有一点点 灰尘或水滴，也会因重量不平衡而造成飞行上的问题。尤 其是一些翅膀较大昆虫，因为无法以腿部进行清洁，所以 在翅膀表面多具有纳米结构，可减少与污垢的接触面，水
第一章 纳米材料概述
3-维纳米结构材料的分类示意图
Leabharlann 引言纳米材料是材料科学领域发展的重要成果之一， 人们希望通过运用纳米技术制备比传统材料体积 更小、质量更轻、性能更好的材料。 纳米技术涉及了一个综合的交叉领域，需要通过 物理、化学、材料、生物、机械和电子工程等领 域的科学家的共同努力来实现。
第一章 纳米材料概述
纳米是连接原子、分子和宏观世界的桥梁，当材 料的结构单元在纳米尺度以下时，表现出了不同 于宏观体材料的特殊性质，纳米尺度的结构对材 料的特性起到了决定性的作用，也扩大了材料的 应用范围。 纳米科技目前还处在起步和发展的阶段，远远没 有达到成熟，仍旧需要大量深入的研究工作，纳 米技术在人们日常的生产和生活中的应用也才刚 刚开始，实用化和产业化尚需解决大量的科学和 工程问题。
第一章 纳米材料概述
6、纳米与生物科技
基因工程 将好的DNA片段插入细胞原有的DNA内，使细胞展现 所希望的特性（基因疗法、动植物品种改良）。以往科 学家多利用病毒将所欲的DNA片段送入细胞核内，但 缺点是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究将DNA 片段压缩装进高分子微粒中（25纳米以下），可明显 提高改造成功率，却没有毒性或免疫反应，有效性与安 全性大为改善。
纳米材料在电子设备中的应用
纳米材料在电子设备中的应用第一章纳米材料的概述随着科技的不断发展，纳米材料逐渐走进了人们的视野。
纳米材料是指具有特殊结构和性质的材料，其尺寸在纳米级别（1纳米等于十亿分之一米）。
由于纳米材料具有较大的比表面积和量子效应的特点，使得其在电子设备中的应用具有广阔前景。
第二章纳米材料在电子芯片中的应用电子芯片是现代电子设备的核心部件，纳米材料在其中具有重要作用。
首先，纳米材料可以作为高性能晶体管的材料，如纳米硅。
纳米硅晶体管具有较高的载流子迁移率，能够提升芯片的运算速度和功耗。
其次，纳米材料还可以用于制备高性能随机存储器（RAM）。
纳米级金属氧化物晶体管以其快速开关速度和低功耗成为未来存储器的热门选择。
第三章纳米材料在显示技术中的应用显示技术是电子设备中的重要组成部分，纳米材料在其中发挥着至关重要的作用。
纳米颗粒可以用于制备高性能发光二极管（LED）。
通过控制纳米颗粒的尺寸和成分，可以实现宽色域、高亮度和高对比度的显示效果。
另外，纳米材料还可以用于制备柔性显示器件。
纳米材料的高柔性和可塑性使得制备出的柔性显示器件可以适应各种弯曲表面。
第四章纳米材料在电池技术中的应用电池技术的发展关乎着电子设备的续航能力和安全性。
纳米材料在电池技术中的应用可以提升电池的性能。
首先，纳米结构材料可以提高电池的能量密度。
采用纳米材料作为电极材料，可以增加活性材料与电解液的接触面积，提高反应效率。
其次，纳米材料可以提高电池的循环寿命。
通过控制纳米材料的形貌和结构，可以减少电池在充放电过程中的体积膨胀，延长电池的使用寿命。
第五章纳米材料在传感器中的应用传感器是电子设备中的重要组件，可以实现对环境和物体的感知。
纳米材料的特殊性能使得其在传感器中具有很多独特的应用。
例如，纳米颗粒可以用作气敏传感器材料。
由于纳米材料具有较大的表面积，可以提高传感器对气体的检测灵敏度。
另外，纳米材料还可以用作生物传感器材料，在生物检测领域具有潜在的应用前景。
纳米材料概述
纳米材料概述纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸通常在纳米级别（即纳米米级别）。
纳米材料具有许多独特的特性，使其在各个领域具有广泛的应用前景。
纳米材料具有较大的比表面积。
由于纳米级尺寸的颗粒具有较高的表面积与体积比，所以纳米材料相同质量下的比表面积要远大于传统材料。
这使得纳米材料在催化、吸附、传感等领域具有很大的优势。
例如，纳米催化剂由于其较大的比表面积可以提供更多的反应活性位点，因此在化学反应中具有更高的催化活性。
纳米材料具有尺寸效应。
由于纳米材料的尺寸处于纳米级别，其电子、光学、磁学等性质会出现明显的尺寸效应。
这种尺寸效应使得纳米材料在光电子器件、磁性材料等领域具有独特的应用潜力。
例如，纳米颗粒可以通过调节其尺寸来实现特定波长的光吸收和发射，因此在光电子器件中被广泛应用。
纳米材料还具有良好的机械性能和化学稳定性。
由于纳米材料具有较小的晶粒尺寸和较大的比表面积，其晶界的位错和缺陷会减少，从而提高了材料的强度和硬度。
同时，纳米材料由于表面原子与周围环境的相互作用增强，表现出较好的化学稳定性，使其在储能材料、高温材料等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料具有可调控性强的优点。
由于纳米材料的尺寸、形态和结构可以通过合成方法进行精确控制，因此可以根据特定需求设计和合成具有特定功能和性能的纳米材料。
这种可控性使得纳米材料在生物医学、环境治理等领域有着广泛的应用。
例如，通过调控纳米材料的大小和表面修饰可以实现纳米药物的靶向输送和控释，从而提高治疗效果并减少副作用。
纳米材料作为一种具有特殊结构和性质的材料，在各个领域具有广泛的应用前景。
它们的较大比表面积、尺寸效应、良好的机械性能和化学稳定性以及可调控性强等特点，使得纳米材料在催化、光电子器件、储能材料、生物医学等领域具有诸多应用。
未来随着纳米材料研究的不断深入，其应用前景将进一步拓展，并为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
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Cross section of human hair ~ 8 x 10-5 m
Red Blood Cell 7x10-6 m by 10x10-6 m
Carbon Atom
Carbon Atom
Virus (Length) ~9 x 10-7 m
CdSe Nanocrystal ~3 x 10-9 m
纳米科技内涵
纳米电子学、纳米加工学和 纳米生物学就是这座大厦那 金碧辉煌的屋顶，是衡量一 个国家纳米科技发展水平的 标志。纳米材料学和纳米测 量学是这座大厦的支柱，这 两个领域的发展水平直接关 系到纳米技术各个领域的发 展。而纳米体系物理学、纳 米化学和纳米力学是这座大 厦的基础
纳米材料学
• 材料是一个社会的支柱之一： 石器时代—青铜器时代—铁器时代—钢的时代 —计算机时代(高纯度的单晶硅)—？？
纳米科学技术
在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技 术称为纳米科学技术。纳米技术本质上是一种 用单个原子、分子制造物质的科学技术。 纳米科学是科学发展到一定程度时的必然阶段 。它不是传统意义上的属于科学的一个学科或 分支。 象科学是有多学科组成一样，纳米科学也是有 多学科组成的。多学科是纳米科学的“天赋” 。 在研究中要充份利用这一特点 。
LYCURGUS (莱克格斯)CUP
纳米材料历史-19世纪
照相术:感光胶片上的卤化银颗粒，颗粒越细 小，照片质量越好。 19世纪中期，对胶体化学(Colloid Chemistry) 的研究，对象是1~100nm的粒子，然而当时并 没有意识到。1856年Michael Faraday 制备出 了第一个Au溶胶。
出淤泥而不染的荷花——荷叶自清洁效应——荷叶的 表面有着复杂的纳米结构，从而在其表面形成一层极 薄的空气层。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，落 到叶面上时，与叶面之间隔着一层空气。水在自身表 面张力的作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰 尘粘落，形成“自清洁”现象。 白毛浮绿水——为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并 不会湿呢?原来，鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间 的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。其他可以浮 水的禽类，如鸭，也有同样的功能。
纳米材料历史-20世纪
1931年德国科学家Ernst Ruska发明了世界上第一 台电子显微镜，可以对纳米尺度的物质进行观察， 相当于人们认识纳米世界“眼睛”
分辨率: 约1纳米
“There's Plenty of Room at the Bottom”
。
The classic talk that Richard Feynman gave on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) was first published in the February 1960 issue of Caltech's Engineering and Science, which owns the copyright. (available at /nanotech/feynman.html)
人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而 这较小的机器可以制作更小的机器, 这样一步步 达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后 直接按意愿排列原子,制造产品.那时, 化学将变成 根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。 当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到 1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器 而感到惊讶。
30.927
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一些专业期刊
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6.770课程要求 Nhomakorabea课后查阅一些纳米材料相关的国际知名学术期 刊；
完成一份与纳米材料相关的英文文献翻译。
分辨率: 约0.01纳米
纳米材料学成为相对独立的学科 1990年7月在 美国巴尔的摩召开了世界上第一届纳米材料科 学技术会议，正式提出了纳米材料学、纳米生 物学、纳米电子学、纳米机械学等概念，并决 定正式出版《纳米结构材料》、《纳米生物材 料》、《纳米技术》等学术刊物；
Single Atom Manipulation
Richard Feynman
1962年，久保(Kubo)针对金属超微粒子的研 究，提出了著名的久保理论，即金属超微粒 子将出现量子效应； 1974年Norio Taniguchi最早使用纳米技术 （Nanotechnology)一词描述精细机械加工； 20世纪80年代至90年代是纳米材料和科技迅 猛发展的时代。
蜜蜂的记忆——蜜蜂腹部具有“罗盘”作用的磁性纳米粒子，为蜜蜂复 杂的活动引领方向。当蜜蜂外出采蜜时，所到之处，花草树木等的图像 便储存进这些纳米粒子中，形成记忆。当它们满载待归时，就启动这种 记亿，实质上就是把所储腹部的磁性纳米粒子存的图像与自己看到的图 像进行对比和移动，直到达两个图像完全一致，它们就可以找回家了。 横行霸道螃蟹——亿万年前，螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触角 里有几颗磁性纳米微粒，螃蟹便拥有了用于定向的几只小“指南针”。 靠这种高精度的“指南针”，螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退，行定自 如。后来，由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角里的那几颗珍 贵的纳米小磁粒发生错乱，失去了正确指示方向的功能。于是，晕晕乎 乎的螃蟹便开始横行，从此落得个蛮横的名声。 海龟远航:美国东海岸佛罗里达有一种海龟，它们在佛罗里达的海边上产 卵。当小海龟孵化出来后，就不远万里，长途跋涉到大西洋的另一侧— —靠近英国的小岛附近的海域生活。成年的海龟还要回到佛罗里达产卵。 从佛罗里达到该岛，再回到佛罗里达，生性散漫的海龟并没有走回头路， 而是历时5—6年的时间，悠哉游哉，环大西洋巡游。如此准确的远洋航 行，是靠什么导航呢?美国科学家发现，海龟头部有磁性的纳米微粒，它 们正是凭借这种纳米微粒，准确无误地完成几万公里行程。
在自然界中普遍存在
人和兽类的牙齿表层——研究表明，人的牙齿 之所以有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等 纳米材料构成的；传递生命遗传信息的DNA就 是一条具有双螺旋结构的纳米链；人体内的骨 骼就是由无机物羟基磷灰石和有机物纤维性蛋 白骨胶原组成，羟基磷灰石大约占60%，以一 种长20~40纳米、厚1~3纳米的针状结晶存在， 其周围规则排列着骨胶原纤维。
纳米（nanometer）是一个长度 计量单位，1nm = 10-9m
In Greek, “nano” means dwarf
gigamegakilometer decicentimillimicronanopico-
Really really really small!!!
femtoatto-
fm
Mount Everest Height 8.9 x 103 m
Raffles City Height 2.8 x 102 m
Apatosaurus Length 2.1 x 101 m
莱佛士城
Sizes of Objects
Housefly ~7.5 x 10–3 m African Elephant Height ~ 3.3 m Rabbit (Length) ~ 3 x 10-1 m
内容
第一章 纳米材料概述 第二章 纳米粉体的制备方法 第三章 纳米材料的表征 第四章 常见的纳米材料 第五章 纳米材料的发展前沿
第一章 纳米材料概述
1.1 纳米材料基本概念
1.1.1纳米材料与纳米科学技术
exapetateraEm Pm Tm Gm Mm km m dm cm mm mm nm pm 1018 1015 1012 109 106 103 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 quintillion quadrillion trillion billion million thousand one tenth hundredth thousandth millionth billionth trillionth
Carbon-Carbon Bond Length ~1.5 x 10-10 m
Atom ~10-10 m Nucleus ~ 10-14 m
21世纪主导技术
21世纪科学技术发展的主流：生物科技、信息 科技、纳米科技(BT, IT 和NT) 生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因 生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然 界不存在的生物。 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大 事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。
Xenon on Nickel (110)
Ref: D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).
1991年日本电子公司（NEC）的饭岛（Sumio Iijima）。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着 它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢 丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好 的导电性能、导热性能和电性能。
1981年，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）的发现,是人们认识纳米世界 的“手”；随后在1986年，又发明了原子力显微 镜（Atomic Force Microscope，AFM）。这些扫 描隧道显微镜系列（SPM）极大促进了纳米科技 的发展。