纳米材料与纳米团簇

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。
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。
五 纳米材料的应用
由纳米颗粒制成的材料与普通材料相比， 在机械强度、磁、光、声、热等方面都有 很大的不同，可制造出各种性能优良的特 殊材料。
1、纳米材料用于纺织品，经过独特的 工艺处理，将紫外线隔离因子引入纤维 中，能起到防紫外线、阻隔电磁波，具 有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨 损等影响的作用，可以有效保护人体皮 肤不受辐射伤害。
这个字与古人今人同在，与天地日月共存。
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纳米团簇的研究背景和意义
纳米团簇的基本物理效应
(1).小尺寸效应：尺寸与光波波长、德布罗意波长以及相 干长度等相当或更小时，导致声、光、电磁、热力学等物性呈 现新的小尺寸效应。 (2).表面效应： d(nm) N 表面(%) 20 40 80
10 4 2 1
2 、纳米生物技术的成果也会为制 造人造器官和人造皮肤提供便利。 如今科学家们已经能够利用烧伤患 者未被破坏部分的皮肤细胞制成被 烧伤部位的人造皮肤，并使其具有 正常的代谢作用。将来纳米生物技 术的进一步发展还会为医生有效治 疗脑血栓提供可能。纳米微粒也将 会在摧毁脑肿瘤方面起到重要作 用。
3、纳米技术用在医学上，专家们把磁性纳米复合高分 子微粒用于细胞分离，或者把非常细小磁性纳米微粒， 放入一种液体中，然后让病人喝下后，对人身体的病 灶部位进行治疗，并且通过操纵，可使纳米微粒在人 的身体病灶部位聚集进行有目标的治疗，在不破坏正 常细胞的情况下，可以把癌细胞等分离出来，也可以 制成靶向药物控释纳米微粒载体（俗称“生物导 弹”），用于治疗脑栓塞等疾病，同时也可用纳米技 术生产出纳米探针（微型机器人）深入体内治疗疾病 或清理体内垃圾等。
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。
(3).量子尺寸效应：
30,000 4,000 250 30
99
T=1K,d=14nm
(4).宏观量子隧道效应： 微观粒子具有贯穿势垒的能力。 宏观量：微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量， 亦具有隧道效应。 Fe-Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与 温度无关。 限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间极限。 (5).库仑阻塞与库仑台阶效应：
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
王广厚<<团簇物理的新进展>> <<物理学进展>>1994年6月，1998年3月
团簇研究的基本问题： 弄清团簇如何由原子、分子一步一步发展而成，以及随着这种 发展，团簇的结构和性质如何变化。
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。
Ⅱ.纳米材料的性能及制备方法：
ⅰ.小尺寸效应
ⅱ.量子效应 ⅲ.界面效应
ⅰ.物理的蒸发冷凝法 ⅱ.分子束外延法 ⅲ.机械球磨法 ⅳ.化学的气相沉淀法 ⅴ.液相沉淀法 ⅵ.溶胶-凝胶法 ⅶ.水热法
ⅳ.表面效应
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。 对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其表面积 亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质。
科学家把碳60分子每十个 一组放在铜的表面组成了 世界上最小的算盘。与普 通算盘不同的是，算珠不 是用细杆穿起来，而是沿 着铜表面的原子台阶排列 的。
四.纳米材料：
Ⅰ、纳米材料的定义：
纳米材料，指的是具有纳米 量级（1~100 nm）的晶态或 非晶态超微粒构成的固体物 质。 纳米材料真正纳入材料科学 殿堂是德国科学家Gleiter 等于1984年首用惰性气体 凝聚法成功地制备了铁纳米 微粒，并以它作为结构单元 制成纳米块体材料。 多孔纳米线
1984年，德国格莱特把6纳米的金属粉末 压制成纳米块，制出了世界上第一块纳米 材料——开纳米材料学之先河。
1990年7月，在美国召开了第一届国际纳 米科学技术学术会议，正式把纳米材料作 为材料科学的一个新分支。
纳米材料科学是当今世界科学技术的前沿和研 究热点。世界各国的高技术发展计划中均将纳 米材料及其技术列入重要研究领域： 如美国的“高技术发展计划” 日本的“高技术探索计划” 欧洲的“尤里卡计划” 我国的“863计划”、“973计划”等
重庆师范大学物理与电子工程学院
纳米材料与纳米团簇
毋志民
2013.9.26
物理学前沿讲座
Outline（提纲）
• 纳米材料的研究背景和意义(why and how？) • 纳米团簇的研究背景和意义(why and how？) • 我的一些工作(how and what？)
纳米材料的研究背景和意义
前言
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 。
王中林博士简历
欧洲科学院院士、世界创新基金会院士 美国佐治亚理工学院最年轻的校摄政董事教授
王中林﹐男﹐1961年出生﹐1982毕业于西北电讯工程 学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合 招收的物理研究生(CUSPEA)。1987年获美国亚利桑那州立 大学物理学博士。从1987到 1994﹐他曾在纽约州立大学石 溪分校﹐英国剑桥大学开文迪许实验室﹐美国橡树岭国家 实验室﹐和美国国家标准和技术定量局从事过 研究工作。 “人”！ 王博士1995年被佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)聘为副教授和电子显微镜实验室主任﹐于1999 ——是谁创造了这个字？ 年提前晋升为该校终身制正教授并担任电子显微镜中心主 任, 并于2004年晋升为佐治亚理工学院最年轻的校摄政董 这个字是人所创造，人必须全力保护这个字。 事教授 (Regents’ Professor)。
这个字与古人今人同在，与天地日月共存。
王中林博士简历
王中林博士于2000年9月创建了佐治亚理工学院的纳米科学和技 术中心并担任该中心主任。王教授已在国际一流刊物上发表了400篇 论文﹐45篇综述和书章节文章﹐140篇会议论文﹐8项专利，4本专著 和10本编辑书籍。他已被邀请做过300多次学术讲演和大会特邀报告。 他的学术论文已被引用6000次以上。他成功地组织和担任过7次学术 会议的主席。王教授荣获了美国显微镜学会1999年巴顿奖章﹐佐治 亚理工学院2000年杰出研究奖﹐2001年S.T.Li奖金(美化学学会)﹐ 美国自然科学基金会CAREER基金﹐中国首批国家自然科学基金会海 外优秀青年科学家基金,中国科学院海外杰出学者基金获得者，中国 科学院海外专家顾问团成员和国家自然基金委海外评委，国家自然 科学进步奖评委。他是国家纳米科学中心海外主任，教育部清华大 “人”！ 学“长江”特聘讲座教授。他是科学院化学所名誉教授, 中山大学 名誉教授，北京大学客座教授﹐北京大学筹建工学院专家小组成员， ——是谁创造了这个字？ 浙江大学客座教授﹐华南理工大学客座教授，哈尔傧工业大学客座 教授，厦门大学客座教授，中国科学院国际量子中心海外中心成员 这个字是人所创造，人必须全力保护这个字。 ﹐北京科技大学客座教授，以及10多种期刊和杂志的编委和编辑。
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。
贵金属纳米团簇的热力学性质
中科院物理所
引
•
言
纳米团簇是指由几个到几百个乃至上千原 子，分子，或者离子结合在一起，构成的 相对稳定的非刚性结合体，是单个原子分 子到宏观固体之间的过渡态。
• 纳米团簇的许多性质如熔点，凝固点，势 能基，态结构，都随其尺寸变化，并且由 微观向宏观过渡。 • 了解纳米团簇热力学性质随尺寸的变化， 对正确理解材料微观结构的演化过程及制 备优质的纳米材料，都有十分重要的意义。 Cu500
二.纳米科技重大事件：
1959年，著名物理学家 理查德· 费曼（Richard Phillips Feynman ） 设想：有一天如果能按 自己的愿望任意摆布原 子的排列，人类就将成 为真正意义上的“造物 主”。这是关于纳米技 术最早的梦想。
1982 年，国际商业机器 公司（IBM)苏黎世实验 室的葛· 宾尼（Gerd Binnig）博士和海· 罗雷 尔（Heinrich Rohrer） 博士共同研制成功了世 界第一台新型的表面分 析仪器— — 扫描隧道显 微镜（ Scanning tunneling microscope， 简称STM）。
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。
例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；又由 金属变为半导体。
表面效应
纳米材料表面积大大增加，表面结构也发 生很大的变化。因此，与表面状态有关的 吸附、催化以及扩散等物理化学性质，纳 米材料与宏观材料有显著的区别。
纳米材料的表面积大、表面活性强，在催 化领域中前景良好。----纳米催化剂
三.神奇的纳米世界
靓丽的纳米世界
单根碳纳米弹簧
扫描隧道显微镜下的纳米团簇
酷似大力神杯的硅纳米结构
48个铁原子在铜表面排列成直 径为14.2 纳米的圆形量子栅栏
用扫描隧道显微镜的针 尖将原子一个个地排列 成汉字，汉字的大小只 有几个纳米
1991年，IBM公司的 “拼字”科研小组用 STM针尖移动吸附在金 属表面的一氧化碳分子， 拼成了一个大脑袋小人 的形象。图中每个白团 是单个一氧化碳分子竖 在铂表面上的图象，顶 端为氧分子，各个分子 的间距约0.5nm。这个" 纳米神算子—— 分子算盘 分子人"从头到脚只有 5nm高，堪称世界上最 小的人形图案。