第三章 纳米材料的特性
纳米材料的奇妙特性
纳米材料的奇妙特性纳米材料是指具有几十到几百纳米尺寸的材料，其尺寸小于光的波长，因此具备了许多令人惊叹的奇妙特性。
这些特性包括独特的力学、光学、电子和化学性质，使得纳米材料在许多领域具有广泛的应用潜力。
首先，纳米材料具有出色的力学特性。
由于其粒径远小于常规材料，纳米材料具备高比表面积和较高的表面能。
这导致纳米材料具有强度和硬度的显著增加，从而改善了其力学性能。
例如，纳米金属具有出色的塑性，不仅可以在高温和高压下保持稳定的形态，还能够通过表面的形变来实现出色的耐磨性。
这些优异的力学特性使得纳米材料成为制备轻量、高强度结构材料的理想选择。
其次，纳米材料展现了独特的光学性质。
由于纳米颗粒的尺寸接近光的波长，它们能够与光强烈的相互作用。
纳米颗粒可以通过表面等离子体共振来增强吸收和散射光线，因此呈现出令人叹为观止的颜色效应。
这种颜色效应可以应用于纳米材料在传感器、显示器和太阳能电池等领域的应用中。
此外，纳米材料还具备可调控的光学性质，例如纳米线和纳米带的量子尺寸效应，使得它们能够发出特定波长的光，有望在光电子学和激光技术中发挥重要作用。
除了力学和光学特性，纳米材料的电子性质也具备了惊人的变化。
一方面，纳米结构可以改变电子结构和能隙大小，使得纳米材料呈现出独特的电子传输特性。
例如，纳米线和纳米颗粒能够显示出量子限制效应，电子在其中受限于三维空间，导致电荷输运出现新的物理现象。
另一方面，纳米颗粒的大比表面积使得其在催化、传感和电子器件等领域具有广阔的应用前景。
纳米材料的电子性质可通过控制形状、尺寸和结构来调节，因此具备了很大的设计潜力。
纳米材料的化学性质也受到尺寸效应的显著影响。
相比于宏观和微米级材料，纳米材料的化学反应速率更快，其表面原子数目远大于内部原子数目，因此表面活性极高。
这使得纳米材料成为催化剂、传感器和吸附剂等应用领域的理想选择。
纳米结构不仅能够增加反应速率，还可以调节反应的选择性和有效性。
例如，通过调控纳米颗粒的形状和组成，可以实现对催化反应选择性的精确控制，提高反应的效率。
第三章 纳米颗粒的物理特性
光性能
决定了材料的吸收系数，粒径越小， |U(0)|2越大， f微晶 /V也越大，则激子带的吸 收系数随粒径下降而增加，即出现激子增 强吸收并蓝移，这就称作量子限域效应。 纳米半导体微粒增强的量子限域效应使它 的光学性能不同于常规半导体。
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光学性能
纳米微粒的发光 当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波 长的光激发下发光。但对于发光原因的解释不尽统 一，且依据不同物质有所不同。如： • 硅纳米微粒发光，Tabagi 认为是载流子的量子限 域效应引起的；Brus则认为是硅粒径小到某一程度 时，结构的平移对称性消失，导致发光。 • 掺Cd SexS1-x纳米微粒玻璃在530nm波长光的激发 下会发射荧光，是因为半导体具有窄的直接跃迁的 带隙，在光激发下电子容易跃迁引起发光。
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光学性能
• 散射光强度(即乳光强度)与粒子的体积平 方成正比，对低分子真溶液分子体积很小，虽有
乳光，但很微弱。悬浮体的粒子大于可见光波长， 故没有乳光，只有反射光，只有纳米胶体粒子形 成的溶胶才能产生丁达尔效应。 • 乳光强度与入射光的波长的四次方成反比。故 入射光的波长愈短，散射愈强。 • 分散相与分散介质的折射率相差愈大，粒子的 散射光愈强。所以对分散相和介质间没有亲和力 或只有很弱亲和力的溶胶（憎液溶胶)，由于分散 相与分散介质间有明显界限，两者折射率相差很 大，乳光很强，丁达尔效应很明显。 • 乳光强度与单位体积内胶体粒子数 N 成正比。 26
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光学性能
蓝移和红移现象
与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存 在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。 对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说 法，归纳起来有两个方面： 一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙 变宽,这就导致光吸收带移向短波方向。Ball等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用。
纳米颗粒的物理特性介绍
磁学性能
矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 出现高的矫顽力Hc。对于纳米微粒具有高矫 顽力的起源有两种解释： （1）一致转动模式（2）球链反转磁化模式
一致转动磁化模式基本内容是：当粒
子尺寸小到某一尺寸时．每个粒子就是一个单 磁畴，例如Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别 为12nm和40nm。
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光学性能
宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽，表明它们对可 见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同， 而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都 呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳 米粒子的反射率为l%，金纳米粒子的反射率小于10 ％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变 黑。
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光学性能
决定了材料的吸收系数，粒径越小， |U(0)|2越大， f微晶 /V也越大，则激子带的吸 收系数随粒径下降而增加，即出现激子增 强吸收并蓝移，这就称作量子限域效应。 纳米半导体微粒增强的量子限域效应使它 的光学性能不同于常规半导体。
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光学性能
纳米微粒的发光
当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波 长的光激发下发光。但对于发光原因的解释不尽统 一，且依据不同物质有所不同。如： • 硅纳米微粒发光，Tabagi 认为是载流子的量子限 域效应引起的；Brus则认为是硅粒径小到某一程度 时，结构的平移对称性消失，导致发光。 • 掺Cd SexS1-x纳米微粒玻璃在530nm波长光的激发 下会发射荧光，是因为半导体具有窄的直接跃迁的 带隙，在光激发下电子容易跃迁引起发光。
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说 法，归纳起来有两个方面：
一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙 变宽,这就导致光吸收带移向短波方向。Ball等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用。
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
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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
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CaCO3的分类
添加标题
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。
纳米材料的特性
纳米材料的特性
纳米材料具有许多独特的特性，这些特性使其在各种领域中都具有广泛的应用前景。
以下是一些常见的纳米材料特性：
1.尺寸效应：纳米材料的尺寸通常在纳米级别，相比于宏观材料，其尺寸效应显著，导致其性能和行为发生变化。
例如，纳米颗粒的大比表面积可以增强其化学反应活性和光学性能。
2.表面效应：纳米材料的表面积与体积之比较大，因此表面效应对其性质具有显著影响。
例如，纳米材料的表面能、吸附性和电荷分布等表面特性与宏观材料不同。
3.量子效应：在纳米尺度下，量子效应开始显现，如量子限制效应、量子点效应等，这些效应导致纳米材料在光学、电学和磁学等方面表现出特殊的量子性质。
4.机械性能：纳米材料具有优异的力学性能，例如高强度、高硬度、高韧性等，这些性能使其在材料强化、纳米机械器件等方面具有重要应用价值。
5.光学性能：纳米材料的光学性能受到量子效应和尺寸效应的影响，表现出独特的光学特性，如量子点荧光、等离子体共振、表面增强拉曼散射等。
6.电学性能：纳米材料具有优异的电学性能，如高导电性、高介电常数、量子隧穿效应等，使其在电子器件、传感器、能源存储等领域具有广泛应用。
7.热学性能：纳米材料的热传导性能通常比宏观材料更好，这归因于其大比表面积和量子限制效应，因此被广泛应用于热界面材料、热导电器件等领域。
纳米材料的这些特性使其在材料科学、纳米技术、生物医学、电子器件等领域具有广泛的应用前景，对于推动科学研究和技术创新具有重要作用。
第三章 纳米材料基本的物理效应_PPT课件
• 如果两个量子点通过一个“结”连接起来, 一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一 个量子点上的行为称作量子隧穿。
electron
• 有人估计,如果量子点的尺寸为1nm左右, 我们可 以在室温下观察到上述效应.当量子点尺寸在十几 纳米范围, 观察上述效应必须在液氮温度下.原因 很容易理解, 体系的尺寸越小,电容C越小,e2/2C越 大,[(e2/2C)>kT] 这就允许我们在较高温度下进行 观察.利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一 代的纳米结构器件, 如单电子晶体管和量子开关 等.
四、宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势 垒。近年来，人们发现一些宏观物理量， 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为 宏观的量子隧道效应。
• 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重 要意义。 它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极 限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件 的基础, 或者它确立了现存微电子器 件进一步微型化 的极限。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑 上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时， 当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应 而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限 尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
• 一、小尺寸效应 • 二、表面效应 • 三、量子尺寸效应 • 四、宏观量子隧道效应 • 五、库仑堵塞与量子隧穿 • 六、介电限域效应
一、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件 下会引起颗粒性质的质变。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。对超微颗粒而言，尺寸 变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生如下一系列新奇的性质。
纳米材料的特性
纳米材料的特性
纳米材料是指至少在一维上尺寸小于100纳米的材料，通常由几百到几千个原
子组成。
由于其尺寸小，纳米材料具有许多特殊的物理、化学和生物学特性，使其在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米材料的特性之一是表面效应。
由于纳米材料的尺寸小，其表面积相
对于体积来说非常大，因此表面效应在纳米材料中变得非常显著。
这使得纳米材料在催化、传感和吸附等方面具有独特的性能，可以提高材料的反应活性和选择性。
其次，纳米材料还具有量子尺寸效应。
当纳米材料的尺寸接近原子或分子的尺
寸时，量子效应将会显现出来。
这种效应使得纳米材料的电子结构和光学性质发生变化，导致其具有与宏观材料不同的电子输运和光学性能，这对于纳米电子器件和纳米光学器件的设计和制备具有重要意义。
此外，纳米材料还表现出优异的力学性能。
由于纳米材料的晶粒尺寸非常小，
其晶界和缺陷对材料的力学性能产生显著影响。
因此，纳米材料通常具有优异的强度、硬度和韧性，这使得纳米材料在材料加工和结构设计中具有重要的应用潜力。
此外，纳米材料还具有独特的磁学和光学性质。
由于纳米材料的尺寸接近光波
长或磁域尺寸，因此纳米材料在磁学和光学领域表现出与宏观材料不同的性质。
这使得纳米材料在磁记录、光学传感和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
总的来说，纳米材料具有许多独特的特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信纳米材料将会在更多领域展现出其独特的价值，为人类社会的发展做出更大的贡献。
纳米材料与技术-纳米微粒的基本特性
第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态：物质的第?态！区别于固、液、气态，也区别于“等离子体态”（物质第四态）、地球内部的超高温、超高压态（物质第五态），与“超导态”、“超流态”也不同。
纳米态的物质一般是球形的。
物质在球形的时候，在等体积的条件下，它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高，有着很好的强关联性。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。
在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。
尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。
纳米微粒一般为球形或类球形，可能还具有其他各种形状（与制备方法有关）。
纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，内部的原子排列比较整齐，但有时也会出现很大的差别：高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。
二、纳米微粒的基本特性1. 纳米微粒的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
➢大块Pb的熔点为600K，而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。
➢ Ag的熔点：常规粗晶粒为960︒C；纳米Ag粉为100︒C ➢ Cu的熔点：粗晶粒为1053︒C；粒度40nm时为750︒C纳米微粒的熔点降低：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全、活性大，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多，使纳米微粒的熔点急剧下降。
✍应用：降低烧结温度。
纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
纳米材料的特性
电子具有粒子性又具有波动性， 电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。一些宏观物理量， 此存在隧道效应。一些宏观物理量，如 微颗粒的磁化强度、 微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的 磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏 磁通量等亦显示出隧道效应， 观的量子隧道效应。 观的量子隧道效应。量子尺寸效应将会 是未来微电子、光电子器件的基础。 是未来微电子、光电子器件的基础。
小尺寸效应的主要影响： 小尺寸效应的主要影响： 1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 、 2、宽频带强吸收性质 、 3、激子增强吸收现象 、 4、磁有序态向磁无序态的转变 、 5、超导相向正常相的转变 、 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力 、
3 量子尺寸效应： 量子尺寸效应： 各种元素原子具有特定的光谱线。 各种元素原子具有特定的光谱线。由 无数的原子构成固体时，单独原子的能级 无数的原子构成固体时， 就并合成能带，由于电子数目很多， 就并合成能带，由于电子数目很多，能带 中能级的间距很小， 中能级的间距很小，因此可以看作是连续 的，从能带理论出发成功地解释了大块金 半导体、绝缘体之间的联系与区别， 属、半导体、绝缘体之间的联系与区别， 对介于原子、 对介于原子、分子与大块固体之间的超微 颗粒而言， 颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂 为分立的能级； 为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸 减小而增大。 减小而增大。
表面效应的主要影响： 表面效应的主要影响： 1、表面化学反应活性 、 2、催化活性 、 3、纳米材料的稳定性 、 4、 4、铁磁质的居里温度降低 5、熔点降低 、 6、烧结温度降低 、 7、晶化温度降低 、 8、纳米材料的超塑性和超延展性 、 9、介电材料的高介电常数 、 10、吸收光谱的红移现象 、
纳米材料的特性： 纳米材料的特性：
纳米微粒的物理特性
•TEOS + Cl3GeCH2CH2COOH → GeO2-SiO2 + H2 → Ge / SiO2 Temperature time Ge/Si Ge nanoparticles with various sizes
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PL results from Ge clusters J. phys. Chem 2003, 107, 13319
例如：Pt纳米粒子的反射率为1%, Au纳米粒子的反射率小于10%。
23 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
b.红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽 频带强吸收谱。 这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数 下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不 同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在 一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下， 它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布， 这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。
如果蓝移的影响大于红移的影响，吸收
带蓝移。
反之红移。
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随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致 吸收带的蓝移 但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加。 内应力 p = 2γ/r
r为粒子半径，γ为表面张力
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这种内应力的增加，会导致能带结构的变 化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 带间距变窄， 这就导致电子由低能级向高能级，即半导 体电子由价带到导带跃迁，引起的光吸收 带和吸收边也发生红移。 纳米NiO 中出现的光吸收带的红移时由于 粒径减小是红移因素大于蓝移因素所至。
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掺CdSexS1-x纳米微粒的波动在530nm波长光的激
纳米材料特性
纳米材料特性纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的特性主要包括结构特性、力学特性、光学特性、电子特性、热学特性等方面。
首先，纳米材料的结构特性是指其晶体结构、晶粒尺寸、表面形貌等方面的特性。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此具有较大的比表面积和较高的表面能，这使得纳米材料具有优异的化学反应活性和表面催化性能。
此外，纳米材料的晶粒尺寸小于光的波长，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如量子尺寸效应、表面等离子共振等。
其次，纳米材料的力学特性是指其在外力作用下的变形和破坏行为。
由于纳米材料的晶粒尺寸较小，其内部存在大量晶界和位错，这使得纳米材料具有较高的强度和硬度。
同时，纳米材料还表现出超塑性、超硬度等特殊的力学性能，这使得纳米材料在材料加工、结构设计等领域具有广泛的应用前景。
另外，纳米材料的光学特性是指其在光场作用下的吸收、散射、透射等光学行为。
由于纳米材料的尺寸与光的波长相当，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如光学量子效应、表面等离子共振等。
这些特殊的光学特性使得纳米材料在光学器件、光电子器件等领域具有重要的应用价值。
此外，纳米材料的电子特性是指其在外电场作用下的导电、电子结构等电子行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的电子特性，如量子限制效应、载流子输运的量子干涉效应等。
这些特殊的电子特性使得纳米材料在电子器件、传感器等领域具有重要的应用潜力。
最后，纳米材料的热学特性是指其在温度场作用下的传热、热膨胀等热学行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的热学特性，如热量子化效应、纳米尺度下的热传导等。
这些特殊的热学特性使得纳米材料在热管理材料、热电材料等领域具有重要的应用前景。
综上所述，纳米材料具有独特的结构特性、力学特性、光学特性、电子特性和热学特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、纳米技术、纳米医学等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的化学特性
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当粒子接触时，h＝0，随粒 子分离距离加大，h增大。 粒子之间存在位垒，粒子间 若要发生团聚，必须有足够 大的引力才可能使粒子越过 势垒。但由于磁引力和范德 瓦耳斯引力很难使粒子越过 势垒，因此磁性粒子不会团 聚。
34
The End
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纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶剂
的性质以及溶液的性质有关。不同种类的纳米
微粒吸附性质也有很大的差别。
电解质和非电解质溶液以及溶液的pH值等都
对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。
4
1、非电解质的吸附
纳米材料在非电解 质上的吸附 通过氢键、范氏 作用力、偶极子的 弱静电引力吸附在 粒子表面，其中尤 以氢键为多。
max
0 可求出临界团聚浓度
（1）
16 k BT 04 1 Cr 2 2 4 2 N Ae A Z Z
式中， Z 为原子价，此关系式称为 SchulzeHardy定律。 精确表示式为：
1 Cr 6 Z
（2）
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理论计算
式（1）与（2）式的差别是由于式
E0 ~
r02
分散
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团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作
用形成的更大的颗粒．团聚体内会有相互连接的 气孔网络．团聚体可分为硬团聚体和软团聚体两 种．团聚体的形成过程使体系能量下降．
硬团聚：一般是指颗粒之间通过化学键力或氢键作用 力等强作用力连接形成的团聚体。 硬团聚体内部作用力大，颗粒间结合紧密，不易重新 分散。在纳米粉体材料制备过程中应该尽量避免产生 这种硬团聚。
2、电解质吸附
电解质在溶液中以离子形式存在，吸附能力大小 由库仑力来决定。 纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象大多数属于 物理吸附。纳米粒子的大的比表面，很多键不饱 和，致使纳米粒子表面失去电中性而带电（例如 纳米氧化物，氮化硅粒子），在电解质溶液中往 往把带有相反电荷的离子吸附在表面上以平衡其 表面上的电荷，这种吸附主要是通过库仑交互作 用而实现的。
03第三章纳米材料的能带理论及基本效应
03第三章纳米材料的能带理论及基本效应纳米材料是一种具有特殊物理、化学和机械性质的材料，其在纳米尺度下的特性与传统的宏观材料有很大的差异。
因此，解释纳米材料特性的理论也需要考虑到纳米尺度下的效应。
本文将介绍纳米材料的能带理论及基本效应。
能带理论是描述材料中电子能级分布的理论模型。
它起源于量子力学和固体物理学，通过量子力学的波函数和演化方程来描述电子在固体中的运动行为。
根据能量-动量关系，能带理论将固体中的能态分为禁带、导带和价带。
这些能带的性质决定了材料的电导率、光学特性和热传导性能等。
在纳米材料中，由于尺寸的减小，量子尺寸效应和表面效应成为能带理论中需要考虑的一部分。
首先，量子尺寸效应源于纳米材料中的电子被限制在小范围内运动，通过限制电子的波长，能带结构会发生变化。
尺寸减小可以导致能带分裂，禁带宽度变大，导致更强的量子限制，从而影响材料的光谱特性。
其次，表面效应指的是材料的表面对电子运动的影响。
纳米材料相比于宏观材料拥有更大的表面积，表面原子相互作用对电子能带结构的影响变得显著。
表面效应可以导致能带结构的改变，例如表面态的出现，禁带的移动等。
另外，纳米材料的尺度效应也会对能带结构产生重要影响。
当纳米材料的尺寸较小时，由于体积的减小，材料内的晶格畸变、应力分布以及原子间相互作用会发生变化，从而导致能带结构的变化。
纳米材料的能带结构对其性质有着重要的影响。
首先，纳米材料的能带结构决定了其电导率。
由于量子限制效应，纳米材料通常具有较高的电阻率。
此外，能带结构还决定了纳米材料的光吸收和发射谱，从而影响其光学性质。
另外，纳米材料的能带结构也会影响其热传导性能。
由于尺寸减小，纳米材料中的晶格振动模式数量减少，热能的传导能力降低。
此外，纳米材料中的界面效应和散射现象也会对热传导产生重要影响。
总之，纳米材料的能带理论及基本效应描述了纳米尺度下材料电子能级分布和相关特性的理论模型。
通过研究纳米材料的能带结构和相关效应，可以揭示纳米材料的特殊性质，并为其在电子学、光学和热学领域的应用提供理论基础。
第三章 纳米材料基本的物理效应
（4）特殊的力学性质 4
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应 由于纳米材料粒度非常微小 具有良好的表面效应 克纳米材 具有良好的表面效应,1克纳米材 料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其 料的表面积达到几百平方米。因此 用纳米材料制成的产品其 强度、柔韧度、延展性都十分优越 都十分优越， 强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。 级台风有也吹不掉它。 级台风有也吹不掉它 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎， 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 ， 陶瓷茶壶一摔就碎 ， 然而 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料， 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一 良好的韧性。 样具有良好的韧性 样具有良好的韧性。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度， 研究表明 ， 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。 由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～ 倍 至于金属 陶瓷等复合纳米材料 金属---陶瓷等复合纳米材料， 粗晶粒金属硬 ～5倍。至于金属 陶瓷等复合纳米材料，其 应用前景十分宽广。 应用前景十分宽广。
各种 元素 的 原 子具 有特 原子、大块晶体、和纳米晶的能态 定的 光谱 线， 如 钠 原子 具有 黄色 的 光 谱线 。由 无数的原子构成固体时， 单独 原子 的 能 级就 并合 成能 带， 由 于 电 子 数目 很多 ， 能 带 中能 级的间 距很 小， 因 此 可 以 看作 是连 续的， 从 能 带 理论 出发 成功 地 解 释了 大块 金属 、半 导 体、绝 缘体 原子 固体 固体能级填充 纳米晶 之间的联系与区别。
纳米材料的特性
纳米材料的特性纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的特性主要包括以下几个方面：1. 尺寸效应。
纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间，处于这一尺寸范围内的材料会呈现出许多特殊的物理、化学和生物学特性。
其中最主要的就是尺寸效应，即当材料的尺寸缩小到纳米级别时，其表面积相对于体积增大，从而导致其表面原子或分子的比例增加，使其表面活性增强，从而呈现出与传统材料不同的特性。
2. 光学特性。
纳米材料的光学特性是其最具有代表性的特性之一。
由于其尺寸与光波长处于同一数量级，因此纳米材料会呈现出许多特殊的光学现象，如量子尺寸效应、表面等离子共振、光学增强效应等。
这些特性使得纳米材料在光电子器件、传感器、光学材料等领域具有广泛的应用前景。
3. 电子特性。
纳米材料的电子特性也具有独特之处。
由于其尺寸效应和量子限制效应的影响，纳米材料的电子结构会发生改变，导致其电子输运性能、能带结构、电子密度等发生变化。
这些变化使得纳米材料在纳米电子器件、储能材料、传感器等领域具有重要应用价值。
4. 热学特性。
纳米材料的热学特性也备受关注。
由于其尺寸效应和表面效应的存在，纳米材料的热传导、比热容等性质会发生变化，使得其在热电材料、纳米催化剂、纳米传热材料等方面具有潜在应用前景。
5. 化学特性。
纳米材料的化学特性也与其尺寸密切相关。
由于其表面原子或分子的比例增大，纳米材料的化学反应活性会增强，从而在催化剂、吸附材料、传感器等领域发挥重要作用。
总之，纳米材料的特性是多方面的，涉及物理、化学、生物等多个领域，具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，纳米材料的特性将会得到更加深入的研究和应用，为人类社会的发展带来新的机遇和挑战。
纳米材料导论 第三章纳米材料的力学性能
第三章纳米材料的力学性能第一节纳米材料力学性能概述自从1984年Gleiter在实验室人工合成出Pd、Cu等纳米晶块体材料以来，人们对纳米材料的力学性能产生了极大的兴趣。
在以后的十多年内，报导了大量的研究结果，对纳米材料的力学性能的研究处于百花齐放、百家争鸣的时期。
1996～1998年，美国一个八人小组考察了全世界纳米材料的研究现状和发展趋势后，Coch对前期关于纳米材料的力学性能的研究总结出以下四条与常规晶粒材料不同的结果：1）纳米材料的弹性模量较常规晶粒材料的弹性模量降低了30～50％。
2）纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（＞1 m）金属硬度或强度的2～7倍。
3）纳米材料可具有负的Hall-Petch关系，即随着晶粒尺寸的减小材料的强度降低。
4）在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时，由于扩散相变机制而具有塑性，或者是超塑性。
前期关于纳米材料的弹性模量大幅度降低的实验依据主要是纳米Pd、CaF2块体的模量大幅度降低。
20世纪90年代后期的研究工作表明，纳米材料的弹性模量降低了30～50％的结论是不能成立的。
不能成立的理由是前期制备的样品具有高的孔隙度和低的密度及制样过程中所产生的缺陷，从而造成的弹性模量的不正常的降低。
图3-1表明纳米晶Pd、Cu的孔隙度对弹性模量的影响，图中虚线和实线为回归直线，圆点和三角形为实验值。
由图可知孔隙度很低时，Pd、Cu的E接近理论值，随着孔隙度的增加，E大幅降低。
图3-1 纳米晶Pd、Cu的空隙度对E的影响弹性模量E是原子之间的结合力在宏观上的反映，取决于原子的种类及其结构，对组织的变化不敏感。
由于纳米材料中存在大量的晶界，而晶界的原子结构和排列不同于晶粒内部，且原子间间距较大，因此，纳米晶的弹性模量要受晶粒大小的影响，晶粒越细，所受的影响越大，E的下降越大。
图3-2 纳米晶相对模量与晶粒大小的关系图3-2为用高能球磨纳米Fe 、Ni 、Cu-Ni 等粉末固化后的块体材料的规一化的弹性模量E 和切变模量G 与晶粒大小之间的关系，图中虚线和实线分别代表晶界尺寸为0.5nm 和1.0nm 时E 的计算值，圆点表示实测值。
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（一）纳米材料的结构与形貌
ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌
1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能
开
热学性能
开始烧结温度下降
开始烧结温度下降
TiO2微粒的烧结与
尺寸关系
纳米颗粒的晶化温度降低
电阻特性介电特性压电效应
电阻特性
纳米金属与合金的电阻
Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系
数与尺寸的关系
例如，纳米银细粒径20nm
18nm
11nm
纳米金属与合金的电阻
电阻特性
电阻特性介电特性是材料的基本物性•
介电常数：•
最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。
介电特性
减小明显增大。
在低频范围内远高于体材料。
介电特性
目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。
7nm
27nm 84nm 258nm
介电特性
压电效应
压电效应
纳米压电电子学
(Nanopiezotronics)
全新研究领域和学科,
有机地把压电效应和
半导体效应在纳米尺
度结合起来
高磁化率超顺磁性
：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外
磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的
纳米微粒尺寸高于超顺磁
临界尺寸时通常呈现高的
矫顽力
右图为用惰性气体蒸发冷
凝方法制备的Fe纳米微粒
居里温度降低
居里温度降低
居里温度降低
随粒径下降而减小，根据铁磁学
，原子间距减小会
随着粒径减小而
对9nm Ni微粒：
高磁化率巨磁电阻效应
z 巨磁电阻效应
巨磁电阻效应
纳米材料磁学特性小结
纳米材料光学特性
宽频带强吸收
粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。
纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱
纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱
Si-N 键伸缩震动
宽频带强吸收
吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象
激子吸收带吸收光谱的红移现象
吸收光谱的红移现象：
激子吸收带
纳米颗粒发光现象
上图曲线1和2分别为掺
了粒径大于10 纳米和5
纳米的CdSexS1-x的玻璃
的光吸收谱，尺寸变小
后出现明显的激子峰。
纳米颗粒发光现象
9平移周期被破坏，在体材料中电子跃迁的选择定则可能不适用。
发光解释：
室温下，紫外光激发
的纳米硅的发光光谱
纳米材料的光催化
纳米材料的光催化
纳米材料的光催化
当存在合适的俘获剂（俘获电子或空穴之一）、表面缺陷态或其它作用时，电子与空穴重新相遇而发生湮灭的过程将受到抑制，它们将容易发生分离，并迁移到表面的不同位置。
热力学理论表明，分布在表面的空穴是良好的氧化剂，多数光催化剂染物也可能直接被空穴所氧化。
移动到表面的高活性e-具有很高的还原能力：
它可以直接还原有害的金属离子Mn+；另一方面，它可与表产生表面羟基的另一个来源：
纳米材料的光催化纳米半导体材料的光催化特性
纳米半导体材料的光催化特性
TiO2光催化剂的光量子产率与TiO2的关系。
由图可知，随着TiO2粒径的减小，量子产率提高，尤其是当粒径小于10nm 产率得到迅速的提高
纳米材料的光催化
纳米材料的光催化纳米材料的光催化
二氧化钛光解水的反应机理
纳米材料的光催化CoO纳米粒子制法: 球磨法，激光烧蚀法.效果一样。
商业化的前提是：利用阳光的效率大于10%.
谢谢！。