优选纳米材料的结构与性质

（4） 特殊的力学性质
颗
12 nm
粒
尺
寸
1.3 µm
对
硬
度
的
影
响
=a/a=(a1-a)/a 颗粒尺寸对晶格常数的影响
（5） 电学性质
同一种材料，当颗粒达到纳米级时，其电阻、 电阻温度系数都会发生变化。 实例： （1）Ag是良导体，但是当颗粒小至10nm时 电阻会突然升高，失去金属的特征； （2）对于典型的绝缘体Si3N4、SiO2，当颗粒 尺寸小到15nm时，电阻却大大下降使它们具 有导电性能。
优选纳米材料的结构与性质
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教学目标及基本要求
掌握纳米材料的结构、性质、团聚与分散、 表面修饰
2.1 纳米材料的结构
（1） 纳米颗粒型材料
纳米粒子：粒度在100nm以下的粉末或颗粒。 超微粒子介于簇（1nm以下）和微粉之间。 纳米微粒的形态各异，有球形、片形、棒形、 针状、星状、网状等。
（2）纳米固体材料
（5） 纳米态水
普通水为缔合分子的液体。 定义：纳米态水为纳米结构的水，避免氢键的形成 或水分子的缔合。 制备：将普通水雾化变成颗粒很小的水分子，以纳 米加工技术将其喷洒在特定包覆介质中。 特点：纳米水被强度高的纳米膜包覆，自身稳定性 好、尺度均匀。既非液态、也非固态和气态。 用途：可做发动机燃油添加剂。
正已烷中CdSe的室温光学吸收谱
Wavelength of absorption threshold as a function of particle size
吸收阈值
Rayleigh light-scattering of particles deposited on a microscope glass slide
沉积在玻璃片上的纳米颗粒的瑞利散射
（2） 特殊的热学性质
（3） 奇特的磁学性质
超顺磁性：纳米颗粒尺寸小于一临界值时， 进入超顺磁状态。如强铁磁性-Fe，Fe3O4 和-Fe2O3块体的颗粒直径小于5nm, 16nm 和20nm 时变成了超顺磁性体。
矫顽力：强磁性纳米颗粒（Fe、Co合金、铁 氧体等），随着颗粒尺寸降低，饱和磁化强 度下降，但矫顽力却显著增加。
纳米固体材料——由尺寸小于15nm的超微颗粒在 高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生 成的致密型固体材料。 纳米固体是由纳米颗粒聚集而成的凝聚体。 特点：具有巨大的颗粒间界面，具有高韧性，如纳 米陶瓷可改变其脆性。 种类：纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材 料。
纳米薄膜——尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒） 构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层 膜。
2.3.2 纳米颗粒在液体介质中的团聚机理
纳米粉体在液体介质中的团聚是吸附与排斥共同作用的 结果。 吸附作用： （1）量子隧道效应、电荷转移和界面原子相互耦合产生 （2）纳米颗粒分子间力、氢键、静电作用产生的 （3）纳米颗粒间吸附气体分子或与其作用产生的 （4）因高表面能和大接触面纳米粒子间发生的吸附。 排斥作用：粒子表面产生溶剂化膜作用、双电层静电作 用、聚合物吸附层的空间保护作用。
纳米纤维——直径为纳米尺度而长度较大的线状 材料，包括直径为纳米量级的超细纤维，也包括将 纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。
（3） 纳米组装体系
纳米组装体系——由人工组装合成的纳米结构的 体系。 以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单 元，在一维、二维、三维空间组装排列成具有纳 米结构的体系。 自组装体系形成的条件： （1）有足够数量的非共价键或氢键的存在； （2）自组装体系能量较低。
纳米颗粒的表面效应和小尺寸效应影响其团聚。 （1）纳米颗粒表面静电荷引力 （2）纳米颗粒的高表面能 （3）纳米颗粒间的范德华力 （4）纳米颗粒表面的氢键及其他化学键作用
纳米颗粒的团聚有软团聚和硬团聚。 （1）软团聚由颗粒间的静电力和范德华力所致，
力较弱，可通过化学作用或施加机械能消除。 （2）硬团聚还存在化学作用，不易破坏。
人工纳米结构组装体系
人工纳米结构组装体系
Oriented attachment
Space-predefined growth
纳米结构自组装体系
Kirkendall effect
Ostwald ripening
Combinded synthetic strategy
纳米结构自组装体系
（4） 纳米磁性液体材料
纳米材料可大大降低电容器的尺寸，其高介电性 可保持高容量。
2.3 纳米材料的团聚与分散
2.3.1 纳米材料的团聚
纳米粉体的团聚——原生的纳米粉体颗粒在制 备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较 大的颗粒团聚的现象。 原因：纳米材料粒径减小，比表面积增大，表 面能增高，表面活性增加，颗粒间吸引力增强， 颗粒易团聚。 纳米粉体的团聚影响其性能。
自组装技术——自下而上、由小而大的制作方法，即从原 子或分子级开始完整地构造器件。 （1）人工纳米结构组装体系 （2）纳米结构自组装体系和分子自组装体系 人工纳米结构组装体系是按人的意志，利用物理化学方法， 将纳米尺度的物质单元组装、排列成一、二、三维纳米结 构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。 纳米结构自组装体系是指通过弱的较小方向性的非共价键， 把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构。
纳米磁性液体——磁流体，是由纳米微粒包覆了表面活性 剂，高度弥散在基液中形成的稳定的具有磁性的液体。
特点： （1）在外磁场中可被磁化、运动，
又具有液体的流动性； （2）在静磁场中，磁性颗粒将沿
着外磁场方向形成有序排列 的团链簇，使得液体变为各向异性的介质； （3）光波传播时，会产生法拉第旋转、双折射效应等特性。
2.2 纳米材料的性质
（1）特殊的光学性质 （2）特殊的热学性质 （3）奇特的磁学性质 （4）特殊的力学性质 （5）电学性质
（1） 特殊的光学性质
金属纳米粒子反射率低，均呈黑色。尺寸越小， 越黑。
Leabharlann Baidu
纳米微晶 的吸收和 发射光谱 存在蓝移 现象。
纳米级 Y2O3:Eu3+
微米级 Y2O3:Eu3+
Room temperature optical absorption spectra of CdSe nanocrystallites dispersed in hexane