第一章_纳米材料绪论
纳米材料概述ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
STM针尖
扫描隧道显微镜工作原理示意图
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二、纳米技术与纳米材料的概念
l 过去，人们只注意原子、分子或者宏观 物质，常常忽略纳米这个中间领域，而 这个领域大量存在于自然界，只是以前 没有认识到这个尺度范围的性能 。
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l 第一节、概述 l 第二节、纳米材料的结构与性能 l 第三节、纳米材料的制备方法 l 第四节、纳米材料与纳米技术的应用 l 第五节、发展与展望
科学家使用STM观测物质的纳米结构
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达 0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们 带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和 扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去 接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)，针 尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针 尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品 构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面 间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可 把表面的信息；(表面形貌和表面电子态)记录下来。由 于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际 上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发 展。
（物理化学专业论文）低维（VIa族化合物）半导体纳米材料的制备及表征
⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位，即米的十亿分之一。
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（１一１００ｍ）或者由它们作为基本单元构成的材料。
广义地说，纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。
１．１．１纳米材料的诞生及其发展早在】８世纪６０年代，随着胶体化学的建立，科学家们就开始了对纳米微粒体系（胶体）的研究。
到２０世纪５０年代末，著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。
他在１９５９年１２月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈０意黑２＝：盏：篙翼盎：见性的报告，并做出了美妙的设想：如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。
随后，１９７７年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术（ｎａｎｏｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ）。
１９８２年Ｂｉｎｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ研制成功了扫描隧道显微镜（ｓ１Ｍ），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。
１９９０年美国ＩＢＭ公司两位科学家在绝对温度４Ｋ的超真空环境中用ｓＴＭ将Ｎｉ（１１０）表面吸附的ｘｅ原子在针尖电场作用下逐一搬迁，⑧浙江大学博士学位论文电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。
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。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，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微型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Ｏ．２５ｕｍ。
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。
绪论-1(1)
4. J. nanosci. nanotech. 2001(美国科学出版社）(If 2.0)
5. Nanoletters
2001 (美国化学会）(10.37)
6. International Journal of Nanoscience, 2002
7. Small
2005（德国Wiley) (6.5)
但日前通常把亚微米 (0.1~1 微米 ) 体系有关 现象的研究称为介观领域。 这样就把纳米体系和团簇从这种狭义的介观 范围独立出来，从而形成纳米体系。 (0.1 （（1）~100nm)
朝永振一郎 施温格
费因曼
1965年诺贝尔物理学奖
1959年，著名的物理学家诺贝尔奖获得者 费曼预言：毫无疑问，当我们得以对细微 尺度的事物加以操作的话，将大大扩充我 们所得到的物性范围。
迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的， 为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、 木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
绪
论 — 什么是材料？
材料与物质 (Materials and Matter) 材料可由一种或多种物质组成。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以 得到用途各异、类型不同的材料。
纳米材料与纳米结构
焦 桓
（致知楼1352 jiaohuan@）
化学化工学院
绪
论 — 什么是材料？
Definition:
材料是指具有满足指定工作条件下使用要求 的形态和物理性状的物质。(any solid-state component or device that may be used to address a current or future societal need) 原料中取得生产物质的原料。 材料是制成成品的东西。
纳米材料(1)
• ―纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研 究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米 科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米 科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府 所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要 等上数十年时间。
• 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物 质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害， 对这方面研究的资金投入明显不够。
Terametre Gigametre Megametre
1Tm=1012m 1Gm=109m 1Mm=106m
Decimetre Centimetre Millimetre
1dm=10-1m 1cm=10-2m 1mm=10-3m
Gectijukimertr 1hkm=105m e Myriametre 1mam=104m
Picometre(皮米) 1pm= 10-12m
纳米材料的起缘
R．Feynman 美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼在1959年美国物理学协 会会议上所作的题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”的
演讲，他指出：“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一
• 关于量子相干现象的解释
/p-111180156.html • 中国科技大学博士学位论文《量子相干现象的 直观描述》
§1.1 基本概念和内涵
1.1.1 基本概念 1、纳米 （nanometer）
• 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10-9m=10 Å(埃)。 • 头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。 • 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一 个一个排起来的长度。
纳米材料在抑制细菌感染中的应用
纳米材料在抑制细菌感染中的应用第一章：绪论随着时代的发展，人类对健康的注重程度也越来越高。
而细菌感染是不可忽视的一种疾病。
许多化学品和药品可以用于控制和治疗细菌感染，但是这些方法的副作用越来越严重，所以对于细菌感染的治疗需要一种更为优秀的方法。
纳米技术就是一种新兴的方法。
纳米技术的应用已经在许多领域证明了自己的优势，对于控制和治疗细菌感染也是一种很有希望的方法。
纳米技术可以通过改变纳米材料结构的大小，表面和材料的化学性质，从而影响纳米材料对细菌的识别和杀死。
那么，本文将介绍纳米材料在抑制细菌感染中的应用。
第二章：纳米材料的种类纳米材料不是一种单一的材料，而是一种泛指具有纳米尺寸的材料的集合。
这些材料可以来自许多不同的范畴，包括但不限于金属，陶瓷，高分子复合材料和碳纳米管。
这些材料拥有特殊的结构和特性，使得它们在细菌感染的控制和治疗中具有独特的优势。
例如，纳米银和纳米金材料的表面具有许多锋利的棱角，可以切割细菌的细胞壁。
碳纳米管具有较高的比表面积和独特的物理和化学性质，可以用于制备细胞膜直接打孔技术。
纳米人工核糖核酸（nanotised polynucleotides）是一种可用于治疗病毒感染的纳米材料。
因此，选择不同的纳米材料对于细菌感染的治疗十分关键。
第三章：纳米材料的制备纳米材料的制备是纳米技术的核心。
制备方法十分多样化，技术不断更新迭代。
制备纳米材料的过程中，需要在三个方面考虑，即制备材料工艺，材料的性质和应用方式。
在制备纳米材料时，需要考虑尺寸和表面组成等方面的控制。
通过选择特定的化学方法，纳米材料的尺寸可以得到微米级别的控制。
通过改变化学操作，在合成过程中可以加入附加的功能基团，使纳米材料具有目标应用所需的物理，化学和生物学性质。
第三章将更详细地介绍制备方法的原理、优势和限制。
第四章：纳米材料在抑制细菌感染中的应用目前，许多纳米材料已被证明可以用于控制和预防病菌感染。
本章将更加详细地介绍纳米材料在预防和控制感染中的应用。
（无机化学专业论文）纳米材料的自下而上与自上而下的对应构建方法及其物性研究
中国科学技术大学博士学位论文纳米材料的自下而上与自上而下的对应构建方法及其物性研究姓名：***申请学位级别：博士专业：无机化学指导教师：***20100420摘要本论文旨在探索利用晶体结构来控制性的构建一些具有特殊尺寸、特殊形貌和图案的高度规则的无机多级微纳结构材料，结合“自上而下”（Top-Down）和“自下而上”（Bottom-Up）的方法，通过反应物和目标产物的结构分析来设计性的可控合成特定纳米材料的特定形貌，这种路线不仅对我们了解纳米材料合成提供了另外一个途径,同时也给理论分析纳米材料的形成本质原因提供了可能的理想指导。
本论文的主要研究内容如下：1. 作者通过利用了晶体结构的自范性和刻蚀机理结合的方法，也就是所谓的“自上而下”（Top-Down）的方法来构建分级制结构的PbSe纳米晶体。
该PbSe 分级制结构形成是碱性诱导下的刻蚀与刚性分子1,10-phen吸附保护竞争的结果。
通过大量的实验优化了反应的动力学因素，使得该结构具有良好的重复性、较高的产率和可操控性，为以后的性质研究提供了保证。
采用“自上而下”（Top-Down）的方法来构建分级制结构的方法，也为其他材料分级制结构的构建提供了思路。
2. 作者首次采用维生素C热解的方法来构筑肾结石成份之一的四方相的水合草酸钙，整个过程中不需要利用机添加剂来调节晶体的生长，该微晶具有规则的四方棱柱形貌，且结晶性好。
并采用“自上而下”（Top-Down）固相制备方法来获得相应四方棱柱状的多孔碳酸钙，并研究了多孔碳酸钙对无机水合盐类相变材料的限域效应。
合成的多孔碳酸钙是无毒且环境友好的，将其应用到无机盐相变领域能够成功地解决无机水合盐相变过程中遇到的常见难题，如相分离和过冷现象.这也表明多孔碳酸钙有可能应用于未来的“智能屋”中。
3. 作者利用晶体生长的各向异性，在外加表面活性剂的条件下，通过“自下而上”（Bottom-Up）的方法实现了一维纳米结构在三维空间的自组装，实现了晶体生长的各向异性和Ostwald熟化机理的完美结合。
二氧化锆纳米管阵列的表面处理及性能研究
河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1.1 引言自从进入90 年代以来，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽，基础研究和应用研究取得了重要进展。
人们通过不懈的努力，以纳米材料为开端逐步衍生出纳米化学、纳米物理学、纳米电子学，纳米生物学等学科；派生出纳米技术、纳米工艺等新的技术，进一步推动了纳米材料的发展。
1.2 纳米材料综述1.2.1纳米材料的概念所谓纳米材料就是指在一维、二维或者三维的空间中始终处于1～100 nm 范围内的晶体或非晶体物质。
从材料的结构单元层次来说，纳米材料粒子既不同于微观原子或分子，又不同于宏观体相材料，它是介于宏观物质和微观原子、分子之间的特殊状态，具有宏观体相的元胞键合结构，同时具备块体所没有的崭新的物理化学性能。
纳米材料广义来说，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100 nm) 限制的各种固体超细材料，故此按其维数可以划分为三类，即：（1）零维纳米材料：指空间中三维尺寸处于纳米尺度的材料，如纳米尺度颗粒、原子团簇、纳米点等。
（2）一维纳米材料：指空间中有二维尺寸处于纳米尺度的材料，如纳米线、纳米棒等。
（3）二维纳米材料：指空间中有一维尺寸处于纳米尺度的材料，如纳米薄膜等。
除此之外，还发现一种兼具一维和二维特征的新型准一维纳米结构-纳米带，为研究电子运输现象提供了理想的平台。
1.2.2 纳米材料的性质当粒子尺寸进入纳米量级(1~100 nm) 时，其本身具有表面效应、小尺寸效应、量子效应及宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。
主要表现在具有极佳的力学性能, 如高强、高硬和良好的塑性及韧性；另外1二氧化锆纳米管的表面处理及性能研究纳米材料的表面积与体积比值很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。
(1) 纳米材料的表面效应表面效应，是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质上变化的现象。
银纳米材料在光电催化中的应用研究
银纳米材料在光电催化中的应用研究第一章：绪论近年来，随着环境污染的日益加重，寻求一种环保、高效的治理污染的方法变得越来越迫切。
太阳能光催化技术，是一种可以有效去除污染物的方法，具有不产生二次污染、使用方便、经济实惠等优点。
然而，由于传统光催化材料的光吸收强度不高，催化剂的光电转化效率不高，限制了光催化技术的大规模应用。
银纳米材料作为一种具有较强的光吸收能力和光电转化效率的催化剂，不仅可以增强光合成效率，还可以通过种种实验策略来提高催化剂本身的光吸收强度，从而实现更高效的光催化效果。
本文将详细介绍银纳米材料在光电催化中的应用研究。
第二章：银纳米材料的制备方法目前，制备银纳米材料的方法包括化学合成法、生物还原法、物理气相法、等离子体法、微波法、光还原法等多种方法。
其中，化学合成法和生物还原法是目前应用广泛的制备方法。
化学合成法主要包括溶液还原法、辅助还原法和微乳液法等几种方法，生物还原法主要包括微生物酶还原法、植物提取物还原法和真菌还原法。
化学合成法制备的银纳米材料容易得到尺寸分布较窄，粒径较小的颗粒，而生物还原法制备的银纳米材料具有优异的生物相容性。
因此，在实际应用中应根据具体情况选择合适的合成方法。
第三章：银纳米材料在光电催化中的应用3.1 银纳米材料作为催化吸收体银纳米材料具有宽广的光谱吸收特性和高的光谱吸收系数，能够有效吸收可见光和近红外光，提高催化剂的光吸收率，进而增强催化剂的光电转化效率。
此外，银纳米材料超出了基于金属导体的催化剂，并且具有比传统的量子点催化剂更好的性能。
Liu等人在2012年发现，银纳米材料催化松木素和硫酸铜二水溶液温和还原生成多孔碳基光催化剂，这是一种较为有效的制备银纳米材料的方法。
由于其良好的光吸收和催化活性，银纳米材料受到广泛关注，并应用于大量光电催化反应中，如可见光光催化水分解、光还原CO2、有机污染物光催化降解等。
3.2 银纳米材料作为载体银纳米材料的表面积较大，可以促进催化剂与污染物的接触，提高光催化的效率。
纳米材料导论
材料科学1、纳米材料导论〔选修课〕绪论0.1纳米科技的兴起1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?〞今天，这个美好的愿望已经开场走向现实。
目前，人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为根本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出一样物质传统材料完全不具备的奇特性能。
这就是面向21世纪的纳米科学技术。
0．2纳米材料的研究历史人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。
宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。
到目前为止，人类对宏观物质构造及运动规律已经有相当的了解，一些学科领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间科学等。
微观指原子、分子，以及原子部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上到达纳秒、皮秒和飞秒数量级。
建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。
相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当浅薄，被誉为有待开拓的“处女地〞。
近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。
下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。
1 000年以前。
当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。
中国古代的铜镜外表防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。
1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开场对1—lOOnm的粒子系统进展研究。
但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进展研究。
纳米材料导论_Ch1_(基本概念)
纳米材料导论
（特性、制备与应用）
Introduction to Nanomaterials: Properties, Synthesis and Applications
社社会会需需求求与与学学科科发发展展
• 2001年3月，美国国家科学技术顾问委员会 （NSTC）在《纳米科技的社会影响-- SOCIETAL IMPLICATIONS OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 的报告中对纳米技术在全球的市场容量进行了 预测，在今后10—15年内，每年纳米技术的市 场容量超过一万亿美元。其中，纳米材料和加 工为3400亿美元/年；纳米电子和集成电路为 6000亿美元/年；纳米药物为1800亿美元/年； 纳米催化剂为1000亿美元/年；交通运输（包括 汽车、飞机、铁路、桥梁等）为700亿美元/年。 这些数据显示，纳米材料拥有巨大的市场。
Improvement
主主要要研研究究内内容容
Five R&D categories in nanotechnology: · Nanostructure properties（纳米结构的性能）: Investigate biological, chemical, electronic, magnetic, optical, and structural properties in nanostructures. · Synthesis and processing（合成与加工）: Enable atomic and molecular control of material building blocks to provide the means to assemble and utilize these tailored building blocks for new processes and devices in a wide variety of applications. Extend the traditional approaches to patterning and microfabrication to include parallel processing with proximal probes, stamping, and embossing. Give particular attention to the interface with bionanostructures and bioinspired structures, to multifunctional and adaptive nanostructures, to scaling approaches, and to affordability at commercial scales.
华科工程材料学习题(含答案)
工程材料学习题绪论、第一章一．填空题1.纳米材料是指尺寸在0.1-100nm 之间的超细微粒，与传统固体材料具有一些特殊的效应，例如表面与界面效应、尺寸效应和量子尺寸效应。
（体积效应、宏观量子隧道效应）2.固体物质按其原子(离子、分子)聚集的组态来讲，可以分为晶体和非晶体两大类。
3.工程材料上常用的硬度表示有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）以及显微硬度等。
4.在工程材料上按照材料的化学成分、结合键的特点将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料以及复合材料等几大类。
5.结合键是指在晶体中使原子稳定结合在一起的力及其结合方式 .6.材料的性能主要包括力学性能、物理化学性能和工艺性能三个方面。
7.金属晶体比离子晶体具有较强的导电能力。
8.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和断裂三个阶段。
9.金属塑性的指标主要有伸长率和断面收缩率两种。
二．选择题1.金属键的特点是B：A．具有饱和性 B. 没有饱和性 C. 具有各向异性 D. 具有方向性2.共价晶体具有 A ：A. 高强度B. 低熔点C. 不稳定结构D. 高导电性3.决定晶体结构和性能最本质的因素是 A ：A. 原子间的结合力B. 原子间的距离C. 原子的大小D. 原子的电负性4.在原子的聚合体中，若原子间距为平衡距离时，作规则排列，并处于稳定状态，则其对应的能量分布为：BA. 最高B. 最低C. 居中D. 不确定5.稀土金属属于 B ：A. 黑色金属B. 有色金属C. 易熔金属D. 难熔金属6.洛氏硬度的符号是 B ：A．HB B. HR C. HV D.HS7. 表示金属材料屈服强度的符号是 B 。
A. σeB. σsC. σB.D. σ-18.下列不属于材料的物理性能的是 D ：A. 热膨胀性B. 电性能C. 磁性能D. 抗氧化性三．判断题1. 物质的状态反映了原子或分子之间的相互作用和他们的热运动。
绪论第二节 纳米材料的应用技术-new
（7）自洁作用
纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性， 因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防 雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备 自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳 米自洁净玻璃”。
“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板
玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用 下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体， 杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃 的价格比预计为1.5：1。
2．纳米技术在污水处理方面的应用
污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异 味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去 除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染 等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和
应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极
其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一 种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全
半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视， 原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效 农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应 是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴 把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为 强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、 醇、 醛、 酸、 CO2，完成了对有机物的降解。
（2）降解有机磷农药
• 有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国 农药产量的80％，它的生产和使用会造成大量有毒 废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可以 得到根本解决。
（3）处理毛纺染厂废水
• 用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染厂废水， 具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿 化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用 前景。
表面纳米化综述
部分）课题申请指南‖中还规定了纳米材料必须具有明确的纳米效应[14]。
由以上可以看出，对于纳米材料，人们最早研究和研究最多的还是纳米粉体或颗粒状材料，尤其
是在合成方法及结构表征等方面做了大量的工作。但要使纳米材料真正走上工程应用，制备出大尺寸
实际上，上述方法不仅制备工艺复杂，生产成本较高，而且所能制备的块体纳米材料在尺寸和形
状上也有一定的局限性，其实际应用必然受到限制。考虑到在大多数服役环境下，材料的失稳多始于
表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化 (Surface Nanocrystallization-- SNC )，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为[28]。基于这一点，在1999年卢柯和吕坚提出了“表面纳米化”这一新概念[29-31]，该项技术既着眼于当前的科技水平又面向实际工程应用，为利用纳米技术提高传统工程金属材料的性能和使用寿命提供了一
的关注，正在成为纳米材料研究的新热点[9-12]。国际上，把这类材料称为纳米组装材料或者称为纳
米尺度的图案材料（Patterning material on the nanometre scale）。它的基本内涵是以纳米颗粒以及由它
们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，基本包括
纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序的排列。如果说
第1阶段和第2阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点更强调按人们的
意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。
《纳米材料科学导论》课程教学大纲
《纳米材料科学导论》课程教学大纲课程代码：ABCL0409课程中文名称：纳米材料科学导论课程英文名称：Introduction to nanomaterials science课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：材料化学专业本课程的前导课程：大学物理、物理化学、材料科学基础等一、课程简介纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。
纳米材料科学导论以化学、化工、材料化学、高分子、应用化学、新能源材料与器件等专业对纳米材料感兴趣的高年级本科生为讲授对象，介绍纳米材料科学的基本知识体系。
二、教学基本内容和要求本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。
第零章绪论课程教学内容：纳米科技、纳米材料的概念与发展历史。
课程的重点、难点：纳米材料的概念是重点，难点是纳米材料的发展及纳米功能器件的制备。
课程教学要求：了解纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法。
第一章纳米材料的基本概念与性质课程教学内容：纳米材料的基本概念，纳米微粒的基本性质，电子能级的不连续性，量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应。
纳米微粒的基本性质，纳米微粒的物理特性，纳米微粒的结构与形貌，纳米微粒的热学性质，纳米微粒的磁学性质，纳米微粒的光学性质。
课程的重点、难点：重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。
纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。
微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。
量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。
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世界上最小的IBM商标 1990年IBM 将35个氙原子排列在镍 (110)面上
1993年 将101个铁原子排列在铜 (111)面上
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•1993年，中国
科学院北京真 空物理实验室 自如地操纵原 子，标志着我 国开始在国际 纳米科技领域 占有一席之地。
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纳米中国 中国科学院化学所的 科技人员利用纳米加 工技术在石墨表面通 过搬迁碳原子而绘制 出的世界上最小的中 国地图。 如果把这幅图放大到 一张一米见方的中国 地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领 土的面积。
/
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•中国在纳米材较前沿的位置，继美、 日、德之后，位居世界第四。
•在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手
段离国外还有很大的差距。
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四、纳米新材料及其应用
•高强度与高韧性 •高比热和高热膨胀系数 •高导电率和高扩散率 •高磁化率和高矫顽力 •电磁波的吸收 •集成电路和存储器 •分子马达 •信息科学 •纳米半导体
纳米材料与技术
授课教师: 魏显起 教授
考核方式：
1. 期末闭卷考试(或论文） 2. 课内讨论、答辩
1、课堂考勤+课堂提问+课后作业+课内讨论 2、课堂考勤+小组汇报讨论+论文答辩+作业
成绩组成：
期末50%+课内讨论、答辩、作业50%。
学时分配（32学时18+12）：
第一章 绪论 3学时 第二章 纳米材料的结构与性质 3学时 第三章 纳米材料的制备方法 3学时
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1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实 验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量 十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重 量。
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二、纳米技术发展展望
第一阶段：准确地控制原子数量在100个以下的纳米结
构物质。
第二个阶段：生产纳米结构物质。 第三个阶段：大量制造复杂的纳米结构物质。 第四个阶段：实现纳米计算机。 第五个阶段：研制出能够制造动力源与程序自律化
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第二节 纳米材料在国内外的研究现状
一、纳米科技发展历史 第一阶段 (1990年以前): 实验室探索;
第二阶段 (1994年前):关注奇特物理、化学和力 学性能，设计纳米复合材料; 第三阶段 (从1994年到现在): 纳米组装
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•35亿年前，第一个细胞出现在地球上。 •公元400年前，Democritus提出“atom”概念，
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纳米（nm），又称毫微米，一纳米等于十亿分之一米
单位
米 分米
编写成符号
m dm
对主单位的比
主单位 10-1
厘米
毫米 丝米 忽米 微米 纳米 埃
cm
mm dmm cmm μm nm A
10-2
10-3 10-4 10-5 10-6 10-9 10-10
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三、纳米的自然历史
宇宙大爆炸以后的冷却时期，当
•纳米科技研究的重要仪器
扫描隧道显微镜(STM) 原子力显微镜(AFM)等
移动
displacement
提取 extraction 放置 deposition 单原子操纵示意图
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1982年，IBM公司的科学家瑞士人海因里希· 罗勒 和德国人及其合作者发明了扫描隧道显微镜 (STM)，利用这种技术可以分辨出单个的原子。
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时间(min)
纳米ZnO光催化研究
五、中国“纳米牛人”
张立德 生年：1938 贡献：把纳米概念引入中国的第一人 单位：合肥固体物理所 《 纳米材料学》 《 纳米材料和纳米结构》
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钱逸泰 生年：1941 贡献：溶剂热合成的发明者之一 单位：中国科技大学 院士
溶剂热合成的发明者之一，是溶剂相合成纳米材
原子是物质不可分割的最小单位？
•1905年，爱因斯坦在估算糖分子的大小大约1nm
•1931年，马克斯· 诺尔和恩斯特· 茹斯卡发明了电子显微镜，
可以用来观察比纳米还小的物体。
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•“纳米科技”概念的提出
1959年，理查德· 费曼预言：“对细微尺度事物的 操纵，将大大增加我们可能获得物性的范围。”
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左图：从无序纳米线到 有序纳米线组装结构示 意图； 右图：一维纳米构筑单 元组装方法示意图。 左图：三维高质量碳纳 米纤维仿海绵水凝胶的 宏量制备获得成功； 右图：以细菌纤维素纳 米纤维为支架制备的可 拉伸弹性导体。
/xwbl/201208/t20120820_138703.html
的元件和装置。
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三、纳米科技的政府行动
2003年美国国家纳米技术投资预算（单位：万美元） 国 防 部 司 法 部 交 通 部 能 源 部 环 保 局 航空航天 健康研究所 国家科教 美国农业部 总计 20300 140 200 13930 500 5100 4320 22100 250 66840
昆虫翅膀的自洁作用
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可以防水的羽毛
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四、 纳米科技
纳米科技：在纳米尺度（l~100纳米）上研究物质 （包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以 及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。
是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代 科学（量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术结 合的产物。
料的国际级专家。
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卢柯 生年：1965 贡献：非晶晶化法制备纳米材料的创造者 单位：中国科学院 院士 当今国际上公认的三种 纳米材料制备技术之一的 非晶晶化法的创造者。
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俞书宏 中国科学技术大学，67年生，合肥微尺度物质科学国家实验室 纳米材料与化学研究部执行主任，国家重大科学研究计划项目首席科 学家。
定着一个国家在世界经济中的 地位
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机而美 器研国 人制用 的的于 手纳军 臂米事
新技术革命发展的要求，刺激了新材料的发展，纳米技
术的发展，使具有特异功能的各种纳米材料成为可能 6
二、认识纳米 韩非子：“凡物之有形者，易裁也，易割也。 何以论之？有形，则有短长，有短长则有大小” 公孙龙：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”
第四章 纳米材料的表征
第五章 纳米材料的应用 第六章 几种典型的纳米材料
3学时
3学时 3学时
含三次小组讨论课，一次撰写报告
第一章 绪论
第一节 纳米材料的定义 第二节 纳米材料在国内外的研究现状
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第一节 纳米材料的定义 一、引言——纳米科技的“热”
纳米技术是世界先进国家争夺
的战略制高点
纳米技术产业发展的水平将决
时原始凝聚物质形成早期星体中的 纳米结构。
自然界：地球生物的纳米结构--
贝壳和动物骨骼。
原始人类发现火的时候，他们创
造了“人工超微颗粒”－ 烟粒。
西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。
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植物中纳米效应示例
平滑表面
“莲花效应”表面
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纳米陶瓷 纳米涂料 纳米织物
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动物表面的自清洁性
海豚的自洁作用
不断细化的颗粒——有形物质无限可分的体现
从有到无，而最后的微粒子又是能量的另一种 形式的表现。
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人类认识客观世界的二个层次：
宏观世界、微观世界
宏观上：研究物质的熔点、强度、化学反应活性、 磁性、电导，宏观物理性质等。 微观上：深入到分子、原子层次，建立了量子理论、 晶体理论，原子结构理论、分子结构理论、 化学键理论。
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铂单晶表面上的CO小人 世界上最小的汽车—仅4纳米
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•1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团
簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。
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1991年，日本NEC公司的饭岛等发现碳纳米管
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H2原子和C纳米管
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1997年，美国科学 家首次成功地用单 电子移动单电子， 利用这种技术可望 在20年后研制成功 速度和存贮容量比 现在提高成千上万 倍的量子计算机。
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纳米科技
纳米技术
纳米材料
基础研究
应用研究
超微颗粒 （纳米颗粒）
纳米结构 材 料
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五、纳米科技的主要研究内容
创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米 器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 （1）纳米电子学 （2）纳米物理学 （3）纳米化学 （4）纳米生物学 （5）纳米加工学 （6）纳米计量学
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微/纳米机电系统
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纳米粒子的应用
0.6 0.5 无催化剂 有催化剂
•以太阳光为光源，催
化甲基橙实验。
吸光度 (A)
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120
•有纳米ZnO粉体的甲
基橙溶液中，随着时 间的延长，甲基橙浓 度逐渐降低。显示了 ZnO对甲基橙的催化 分解。
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德国政府:
德国教育研究联邦政府（BMBF）是德 国纳米技术的主要国家规划者，纳米项目面 向的领域：
①超薄膜；
②超精度表面；
③纳米结构分析；
④纳米材料和分子组装。
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中国政府
•2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米
科学的进展作为“十五”规划中科技进步和
创新的重要任务。
•2001年7月发布了《国家纳米科技发展纲要》
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从诺贝尔奖中寻觅纳米科技发展的踪迹
0.1nm
微观 microscopic 团簇 cluster
1nm
100nm
μm
纳米 介观 宏观 nanoscopic mesocopic macroscopic
颗粒的粒径范围
纳米材料的发现是人类从宏观到微观认识层次的一次飞跃 13
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纳米尺度大小的比较