材料化学课件郑州大学纳米材料
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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
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
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
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 。
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
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。
材料化学课件6.2 纳米多孔材料
纳米材料制备方法
• 金属颗粒——气相蒸发法，热生长法，金属 羰基化合物热分解或者超声波分解法，金 属离子还原法（硼氢化物、碱金属、辐照、 有机物还原法） • 陶瓷颗粒——孔模板法、反相胶束法、溶胶 凝胶法、液相沉淀法、气相分解或反应沉 积。
纳米材料的类型
• • • • • • 0D 1D 2D 空心结构 复合结构 多孔结构
4 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的 趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在 地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗 粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠 它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在 趋磁细菌体内通常含有直径约为 2×10-2微米的磁性氧化 物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同， 大块的纯铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减 小其尺寸，大约小于 6×10-3微米时，其矫顽力反而降低 到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力 的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁 带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已 将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
量子尺寸效应
•当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能 隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 •能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的， 这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限 个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏 观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)，由
•超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中 金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃， 可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率， 使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层， 确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微 颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材 料以及低熔点材料。
纳米材料PPT课件
微生物合成
利用微生物作为生物反应器，通过发酵或培养微生物来制备纳米材料。该方法 具有高产量、环保等优点，但需要选择合适的微生物种类和生长条件。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
高效电池
01
利用纳米材料提高电池的能量密度和充电速度，延长电池寿命。
太阳能电池
02
通过纳米结构设计提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本。
纳米材料分类
01
02
03
按组成分类
根据组成元素的种类，纳 米材料可分为金属、非金 属和复合材料等类型。
按维度分类
根据在纳米尺度上的维度 数，纳米材料可分为零维 （0D）、一维（1D）和 二维（2D）纳米材料。
按应用领域分类
根据应用领域，纳米材料 可分为电子、能源、环境、 生物医学等领域所需的特 定功能材料。
微乳液法
利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成微乳液，然后在微乳液中加入反应物 进行化学反应，最终得到纳米材料。该方法可制备出粒径均匀、形貌可控的纳米材料，但 制备过程较为复杂。
生物法
生物分子自组装
利用生物分子间的相互作用，如氢键、离子键等，将生物分子组装成纳米结构。 该方法具有条件温和、环保等优点，但制备过程较慢且产量较低。
燃料电池
03
利用纳米材料改善燃料电池的氧电极反应性能，提高燃料电池
的效率和稳定性。
医学领域
药物传输
利用纳米材料作为药物载体，实现药物的定向传输和精确释放。
医学成像
利用纳米材料提高医学成像的分辨率和对比度，为疾病诊断提供 更准确的信息。
生物检测
利用纳米材料的高灵敏度特性，实现生物分子的快速、高灵敏度 检测。
化学法
利用微生物作为生物反应器，通过发酵或培养微生物来制备纳米材料。该方法 具有高产量、环保等优点，但需要选择合适的微生物种类和生长条件。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
高效电池
01
利用纳米材料提高电池的能量密度和充电速度，延长电池寿命。
太阳能电池
02
通过纳米结构设计提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本。
纳米材料分类
01
02
03
按组成分类
根据组成元素的种类，纳 米材料可分为金属、非金 属和复合材料等类型。
按维度分类
根据在纳米尺度上的维度 数，纳米材料可分为零维 （0D）、一维（1D）和 二维（2D）纳米材料。
按应用领域分类
根据应用领域，纳米材料 可分为电子、能源、环境、 生物医学等领域所需的特 定功能材料。
微乳液法
利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成微乳液，然后在微乳液中加入反应物 进行化学反应，最终得到纳米材料。该方法可制备出粒径均匀、形貌可控的纳米材料，但 制备过程较为复杂。
生物法
生物分子自组装
利用生物分子间的相互作用，如氢键、离子键等，将生物分子组装成纳米结构。 该方法具有条件温和、环保等优点，但制备过程较慢且产量较低。
燃料电池
03
利用纳米材料改善燃料电池的氧电极反应性能，提高燃料电池
的效率和稳定性。
医学领域
药物传输
利用纳米材料作为药物载体，实现药物的定向传输和精确释放。
医学成像
利用纳米材料提高医学成像的分辨率和对比度，为疾病诊断提供 更准确的信息。
生物检测
利用纳米材料的高灵敏度特性，实现生物分子的快速、高灵敏度 检测。
化学法
纳米材料ppt课件
02
纳米材料的制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨或振动磨的方式， 将大块材料破碎成纳米级尺寸。 这种方法简单易行，但制备的纳
米材料纯度较低。
激光脉冲法
利用高能激光脉冲在极短时间内 将材料加热至熔化或气化，然后 迅速冷却形成纳米颗粒。该方法 制备的纳米材料粒径小且均匀，
但设备成本高昂。
电子束蒸发法
磁损耗
在交变磁场中，纳米材料的磁损耗远高于宏观材料，这与其界面和 表面效应有关。
磁电阻效应
某些纳米材料表现出显著的磁电阻效应，如巨磁电阻和自旋阀效应 。这些效应可用于磁电阻传感器和磁随机存储器等领域。
04
纳米材料的应用实例
纳米材料在能源领域的应用
太阳能电池
利用纳米结构提高光电转 换效率，降低成本。
纳米材料的环保问题
纳米材料在环境中的持久性
一些纳米材料可能在环境中长时间存在，不易降解，可能造成长期的环境污染。
纳米材料的环境释放途径
生产和使用纳米材料过程中，可能通过废水、废气等途径将纳米颗粒释放到环境中。
纳米材料对生态系统的潜在影响
纳米材料可能通过食物链进入生物体，影响生物的生理功能和生态平衡。
解决纳米材料安全与环保问题的策略与建议
加强纳米材料的环境和健康影响 研究
深入研究纳米材料的环境行为和健康影响 ，为制定有效的管理措施提供科学依据。
制定严格的法规和标准
制定针对纳米材料的生产和使用的法规和 标准，限制其对环境和健康的潜在风险。
发展绿色合成方法和应用技术
提高公众意识和参与度
开发环保友好的纳米材料合成方法和应用 技术，减少纳米材料的环境释放。
生物合成法
利用微生物（如细菌）合成有机或无机纳米材料。该方法制 备的纳米材料具有生物相容性和生物活性，在生物医学领域 有广泛应用前景。
纳米材料及其应用课件
政府和国际组织应制定严格的 安全标准和监管措施，确保纳
米材料的安全生产和应用。
加强研究与监测
开展纳米材料对环境和人体影 响的监测和研究，及时发现潜 在的风险并采取应对措施。
推广环保设计
鼓励纳米材料生产商采用环保 设计，减少纳米材料的环境排 放，降低其对环境和人体的潜 在风险。
提高公众意识
加强公众对纳米材料的了解， 提高公众对纳米材料安全和环 保问题的意识，促进社会监督
目前，纳米材料在能源、环境、医疗等领域得到了广泛应用，同时也面临着安全性和环境影 响的挑战。
02
纳米材料的特性
小尺寸效应
总结词
当物质尺寸减小至纳米级别时，物质 的物理、化学和机械性能会发生显著 变化。
详细描述
由于纳米材料尺寸较小，其原子数和 表面原子比例增加，导致材料的物理 、化学和机械性能发生变化，如熔点 降低、磁性增强等。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
太阳能电池
利用纳米材料提高光电转 换效率，降低成本。
燃料电池
纳米材料在燃料电池催化 剂和电极材料中发挥重要 作用，提高电池性能和寿 命。
储能电池
利用纳米材料改善锂离子 电池的容量、循环寿命和 安全性。
医学领域
药物传输
纳米材料用于药物载体， 实现药物的定向传输和释 放，提高疗效并降低副作 用。
和参与。
05
未来展望与挑战
技术发展与突破
纳米制造技术
纳米药物技术
随着纳米制造技术的不断进步，将有 望实现更高精度、更低成本的纳米材 料制备。
利用纳米药物技术，可以实现对药物 的精准投递，提高药物疗效并降低副 作用。
纳米传感器技术
米材料的安全生产和应用。
加强研究与监测
开展纳米材料对环境和人体影 响的监测和研究，及时发现潜 在的风险并采取应对措施。
推广环保设计
鼓励纳米材料生产商采用环保 设计，减少纳米材料的环境排 放，降低其对环境和人体的潜 在风险。
提高公众意识
加强公众对纳米材料的了解， 提高公众对纳米材料安全和环 保问题的意识，促进社会监督
目前，纳米材料在能源、环境、医疗等领域得到了广泛应用，同时也面临着安全性和环境影 响的挑战。
02
纳米材料的特性
小尺寸效应
总结词
当物质尺寸减小至纳米级别时，物质 的物理、化学和机械性能会发生显著 变化。
详细描述
由于纳米材料尺寸较小，其原子数和 表面原子比例增加，导致材料的物理 、化学和机械性能发生变化，如熔点 降低、磁性增强等。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
太阳能电池
利用纳米材料提高光电转 换效率，降低成本。
燃料电池
纳米材料在燃料电池催化 剂和电极材料中发挥重要 作用，提高电池性能和寿 命。
储能电池
利用纳米材料改善锂离子 电池的容量、循环寿命和 安全性。
医学领域
药物传输
纳米材料用于药物载体， 实现药物的定向传输和释 放，提高疗效并降低副作 用。
和参与。
05
未来展望与挑战
技术发展与突破
纳米制造技术
纳米药物技术
随着纳米制造技术的不断进步，将有 望实现更高精度、更低成本的纳米材 料制备。
利用纳米药物技术，可以实现对药物 的精准投递，提高药物疗效并降低副 作用。
纳米传感器技术
《纳米材料应用》汇报PPTPPT课件
生产成本问题
纳米材料制造成本
由于纳米材料制备过程复杂，制 造成本较高，需要进一步降低成 本以实现广泛应用。
纳米材料生产效率
提高纳米材料生产效率是降低成 本的重要途径之一，需要不断优 化生产工艺和技术。
纳米材料的应用成
本
除了制造成本外，纳米材料的应 用成本也是需要考虑的问题，需 要开发具有成本效益的应用方案。
源等多个领域。
中国政府对纳米材料产业给予了高度关注和支持，制定了一系
03
列政策措施推动产业发展。
纳米材料发展趋势与展望
未来纳米材料将向高性能化、多功能化和智能化 方向发展。
纳米材料在新能源、生物医药、电子信息等领域 的应用前景广阔，将为人类社会带来更多福祉。
未来纳米材料产业将面临技术突破、环保和安全 等方面的挑战，需要加强国际合作和政策引导。
4. 肿瘤治疗
纳米材料可用于肿瘤 的早期诊断和治疗， 如纳米药物、纳米热 疗等。
环境能源领域
1. 水处理
利用纳米材料去除水中的有害 物质和重金属离子，实现水质 的净化。
3. 太阳能转换
纳米材料可将太阳能转换为电 能或化学能，如太阳能电池和 光催化制氢。
总结词
纳米材料在环境能源领域的应 用包括水处理、空气净化、太 阳能转换和储能等。
2. 防紫外线纺织品
3. 智能纺织品
利用纳米材料阻挡紫外线的性能，制作防 晒服装和遮阳帽等防护用品。
将纳米材料与纺织品结合，实现温度、湿 度、光等环境因素的感知和调控功能，如 智能调温纺织品和变色纺织品。
03
纳米材料发展现状与趋势
全球纳米材料市场规模
01
全球纳米材料市场规模持续增 长，预计未来几年将保持稳定 增长态势。
《纳米材料》PPT课件
第二阶段（1994年以前） ▪ 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
纳米材料简介ppt课件
13
2 在磁性材料中的应用 纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。
在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳 米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有 序化，具有顺磁质的特性，而在无外场时，对任何一个方向都不显 磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有 一个驰豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度 磁记录元件十分重要。 3 在催化剂领域应用
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
1
CONTENTS
1
什么是纳米
2
什么是纳米材料
3 纳米材料的纳米效应
4
纳米材料的分类
5
纳米材料的应用
6 纳米材料与未来社会
2
1 什么是纳米
纳米（nanometer）：长度单位，即10-9m。 纳米有多大？
3
2 什么是纳米材料
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结 构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经 接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得 性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有 大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光 学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表 现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组 成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子， 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观 系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级） 后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体 时相比将会有显著的不同。
2 在磁性材料中的应用 纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。
在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳 米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有 序化，具有顺磁质的特性，而在无外场时，对任何一个方向都不显 磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有 一个驰豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度 磁记录元件十分重要。 3 在催化剂领域应用
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
1
CONTENTS
1
什么是纳米
2
什么是纳米材料
3 纳米材料的纳米效应
4
纳米材料的分类
5
纳米材料的应用
6 纳米材料与未来社会
2
1 什么是纳米
纳米（nanometer）：长度单位，即10-9m。 纳米有多大？
3
2 什么是纳米材料
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结 构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经 接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得 性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有 大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光 学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表 现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组 成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子， 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观 系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级） 后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体 时相比将会有显著的不同。
《纳米材料简介》课件
纳米材料的制备方法
1
物理法
物理法制备纳米材料的方法包括溅射、热蒸发、磁控溅射等。
2
化学法
化学法制备纳米材料的方法包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等。
3
生物法
生物法利用生物体合成纳米颗粒，具有环境友好和可控性强的特点。
纳米材料的挑战与机遇
挑战
纳米材料的安全性、稳定性和环境影响等问题亟待 解决。
机遇
《纳米材料简介》PPT课 件
纳米材料是指在纳米尺度下具有特殊性质和特征的材料。通过控制物质的尺 寸、形态和结构，纳米材料展现出与宏观材料截然不同的性能。
纳米材料的定义
1 微小尺度
纳米材料的尺寸范围一般在1-100纳米之间， 与宏观材料相比具有微小的尺度。
2 特殊特性
纳米材料的特殊尺度和结构导致其独特的物 理、化学和生物性质。
纳米材料在节能环保、医疗健康等领域拥有巨大的 应用潜力。
纳米材料的发展趋势
自组装技术
自组装技术可以制备具有高度 有序的纳米结构，拓展纳米材 料的应用范围。
纳米材料计算设计
通过计算模拟和设计，预测和 优化纳米材料的性能和结构。
可持续发展
发展绿色合成方法和环境友好 的纳米材料制备技术。
高强度
由于纳米尺度下的晶粒尺寸小， 纳米材料具有比宏观材料更高 的强度和硬度。
纳米材料的分类与应用
金属纳米材料
金属纳米颗粒可以应用于催 化剂、电子器件等领域。
纳米复合材料
纳米复合材料具有优异的力 学性能和多功能性，广泛应 用于结构材料、功能材料等。
纳米生物材料
纳米生物材料可以应用于生 物传感、药物递送等领域， 具有广阔的生物医药应用前 景。
由于尺寸的减小，纳米材料的比表面积大大增加，导致其更容易与周围环境相互作用。
《纳米材料》PPT课件_OK
料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴
趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席
格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室
温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂
纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近
一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料
科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷
2021/7/21
19
➢ 具有特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下
呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制呈的纳米陶
瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料既有大的
界面，界面的原子排雷是相当混乱的，原子在
外力变形的条件下的延展性，使陶瓷材料具有
新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以
具有很高的强度，是因为它是磷酸钙等纳米材
米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的
结构是下一ห้องสมุดไป่ตู้段科技发展的一个重点，会是一次
技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”纳
米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。
2021/7/21
35
在医药中的应用
• 1.医学
• 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，
料所构成的；
➢ 纳米材料还具有超导性等特殊性能。
2021/7/21
20
• 纳米虽然微乎其微，但是纳米材料构建的世界却
是神奇而宏大的。
2021/7/21
21
▪ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的
100倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔
化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将
趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席
格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室
温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂
纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近
一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料
科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷
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➢ 具有特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下
呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制呈的纳米陶
瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料既有大的
界面，界面的原子排雷是相当混乱的，原子在
外力变形的条件下的延展性，使陶瓷材料具有
新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以
具有很高的强度，是因为它是磷酸钙等纳米材
米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的
结构是下一ห้องสมุดไป่ตู้段科技发展的一个重点，会是一次
技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”纳
米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。
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在医药中的应用
• 1.医学
• 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，
料所构成的；
➢ 纳米材料还具有超导性等特殊性能。
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• 纳米虽然微乎其微，但是纳米材料构建的世界却
是神奇而宏大的。
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▪ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的
100倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔
化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将
材料化学课件-第六章纳米材料
优点是能获得粒径均匀、尺寸可控以 及50nm的超细粉末。粉末可以是晶态也 可以是非晶态，缺点是原料价格较高， 且对设备要求高。
(3)固相化学反应法
固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。 高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研 磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或 再次粉碎制得超微粉。
纳米粉体的制备方法大致可分为物理和化学方法。 1、物理制备方法
(1)传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超 微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行 等优点，在一些对粉体的纯度要求不太高的场合仍然适用。 (2)惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法主要是将装有待蒸发物质的容器抽到高真 空，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原 子，承受气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮 下，收集，即得到纳米粉体。
(5)特殊的力学性质
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性， 这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原 子的排列相当混乱。原子在外力作用下容易迁移，因此表现 出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学 性能。这就是目前一些所谓摔不碎的陶瓷碗的原因。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，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，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。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。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。
(3)固相化学反应法
固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。 高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研 磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或 再次粉碎制得超微粉。
纳米粉体的制备方法大致可分为物理和化学方法。 1、物理制备方法
(1)传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超 微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行 等优点，在一些对粉体的纯度要求不太高的场合仍然适用。 (2)惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法主要是将装有待蒸发物质的容器抽到高真 空，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原 子，承受气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮 下，收集，即得到纳米粉体。
(5)特殊的力学性质
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性， 这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原 子的排列相当混乱。原子在外力作用下容易迁移，因此表现 出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学 性能。这就是目前一些所谓摔不碎的陶瓷碗的原因。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，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，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。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。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。
纳米材料基本概念和分类PPT课件
纳米材料基本概念和分类ppt 课件
• 纳米材料简介 • 纳米材料分类 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料应用前景
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
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（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度范围是指介于原子、分 子和宏观物体之间的尺寸范围， 这个尺度上的材料具有许多独特 的物理和化学性质。
纳米材料特性
小尺寸效应
由于纳米材料尺寸小，其电子能 级、磁学、光学等性质发生显著 变化，表现出不同于常规材料的
性能。
表面效应
纳米材料的表面原子数占总原子数 的比例很高，表面原子活性高，导 致材料表现出特殊的化学和物理性 质。
量子尺寸效应
当粒子尺寸达到纳米量级时，量子 效应开始显现，纳米材料的光学、 电学等性质发生变化。
一维纳米材料
在空间两个方向尺寸在纳 米尺度，如纳米线、纳米 管等。
二维纳米材料
在一个方向尺寸在纳米尺 度，如石墨烯、氮化硼等。
03
纳米材料制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨机或行星球磨机等 设备，将大块物质研磨成纳米级
粉末。
蒸发冷凝法
通过加热使物质蒸发，然后在冷 凝过程中重新凝结成纳米级颗粒。
纳米材料应用领域
电子信息
制造高性能电子器件、 存储器、显示器等，提 高电子产品的性能和可
靠性。
能源环保
应用于太阳能电池、燃 料电池、环境净化等领 域，提高能源利用效率
和环保性能。
生物医疗
用于药物输送、生物成 像、疾病诊断和治疗等 方面，提高医疗效果和
安全性。
化工环保
• 纳米材料简介 • 纳米材料分类 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料应用前景
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
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（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度范围是指介于原子、分 子和宏观物体之间的尺寸范围， 这个尺度上的材料具有许多独特 的物理和化学性质。
纳米材料特性
小尺寸效应
由于纳米材料尺寸小，其电子能 级、磁学、光学等性质发生显著 变化，表现出不同于常规材料的
性能。
表面效应
纳米材料的表面原子数占总原子数 的比例很高，表面原子活性高，导 致材料表现出特殊的化学和物理性 质。
量子尺寸效应
当粒子尺寸达到纳米量级时，量子 效应开始显现，纳米材料的光学、 电学等性质发生变化。
一维纳米材料
在空间两个方向尺寸在纳 米尺度，如纳米线、纳米 管等。
二维纳米材料
在一个方向尺寸在纳米尺 度，如石墨烯、氮化硼等。
03
纳米材料制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨机或行星球磨机等 设备，将大块物质研磨成纳米级
粉末。
蒸发冷凝法
通过加热使物质蒸发，然后在冷 凝过程中重新凝结成纳米级颗粒。
纳米材料应用领域
电子信息
制造高性能电子器件、 存储器、显示器等，提 高电子产品的性能和可
靠性。
能源环保
应用于太阳能电池、燃 料电池、环境净化等领 域，提高能源利用效率
和环保性能。
生物医疗
用于药物输送、生物成 像、疾病诊断和治疗等 方面，提高医疗效果和
安全性。
化工环保
《纳米材料》PPT课件 (2)
• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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材料不同于常规材料的特殊性能；
第二阶段（1990~1994年），利用纳米材料已被挖掘出来的奇特的物理 、化学等性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合， 纳米微粒与常规块体复合以及发展复合纳米薄膜；
第三阶段（1994年到现在），纳米组装体系、人工组装合成的纳米阵 列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系等纳米结构材料体系。
（1）纳米颗粒
Materials Chemistry II
纳米颗粒一般指粒度在1~100 nm的颗粒或粉末，是一种介于 原子、分子与宏观物体之间的固体颗粒材料。纳米颗粒的形态 并不限于球形，还有板状、棒状、角状、海绵状等。
纳米颗粒材料在催化、滤波、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的 应用前景。 具体应用：磁带、导电纤维，隐形材料， 电池电极，药物靶向缓释，抗菌等
（5）纳米液体材料
Materials Chemistry II
纳米液体是纳米材料分散在特定的液体介质中的悬浮介稳体系。在制备
纳米液体时，为了改善纳米材料与介质的相容性，一般需要对纳米材料进
行一些表面改性，选择适当的分散方法也是制备相对稳定的纳米液体的重
要手段。
磁性液体是由纳米磁性颗粒包覆一层长链的有机表面活性剂分散于一定介质中而 形成的稳定液体。它具有其他液体所没有的磁控特性，用途十分广泛。在扬声器音圈 部分填充磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5~6倍，从而使得在相同结构的情 况下，可使扬声器的输出功率增加约一倍。在步进电机中滴加磁性液体，就可阻尼步 进电机的余振，使步进电机平滑转动。用磁性液体所构成的减震器可以消除极低频率 的振动，制成各种新型阻尼器件。
（4）纳米固体
Materials Chemistry II
纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压下压制成型，或再经 一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如由5nm颗粒所构成的纳米面体，每立方厘米将含1019个晶界 ，原子的扩散系数约为大块材料的1000倍，从而使得纳米材料具有高韧性。通常 陶瓷具有高强度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难加工等缺点，纳米陶 瓷在一定程度上可增加韧性，改善脆性。如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量 级，又将恢复通常陶瓷的特性，因此可以利用纳米陶瓷的特性对陶瓷进行挤压与 轧制加工，随后进行热处理，使其转变为通常陶瓷，或进行表面热处理，使材料 内部保持韧性，但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。
（6）纳米复合材料
Materials Chemistry II
纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒的复合（0/0）、纳米微粒与纳米薄膜的 复合（0/2）、纳米微粒与常规块体的复合（0/3）、不同材质纳米薄膜层状的复合 （2/2）。纳米复合材料兼有纳米材料与复合材料的许多优点。它们具有奇特的物理 、化学性能。如在合成纤维中分散金属纳米颗粒可防止其带电；把A12O3纳米微粒 分散在铝金属中可提高其强度；把纳米CaCO3与PVC等塑料复合可改善其性能指标 ；将纳米抗菌粉体与各种塑料复合可制成抗茵塑料等。
毫米（mm）=10-9米（m）=10埃。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它们作为基本单元构成的材料。
纳米尺度一般是指1~100 nm。当一种材料的结构进入纳米尺度
特征范围时，其某个或某些性能会发生显著的变化。纳米科技则定
义为：在纳米尺度(1nm到数百纳米左右)范围内，研究物质的特
（2）纳米纤维
Materials Chemistry II
纳米纤维是直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，归属于一维纳米材 料，用于微导线、微光纤材料以及新型激光或发光二极管材料等。碳纳米管 、纳米线等也是典型的一维纳米材料。
（3）纳米膜
Materials Chemistry II
纳米膜归属于二维纳米材料，可分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗 粒排列在一起，颗粒之间有极为细小间隙的薄膜；致密膜是指膜层致密， 但晶粒尺寸为纳米级的薄膜，可用作催化材料（如用于汽车尾气处理）、 过滤器材、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等 。如金颗粒膜可作为红外线传感元件。铬-三氧化二铬颗粒膜可以有效地将 太阳能转变为热能；硅、磷、硼颗粒膜可以有效地将太阳能转变为电能； 氧化锡颗粒膜·可以用同一种膜有选择地检测多种气体。颗粒膜传感器的优 点是灵敏度高、响应速度快、精度高、能耗低和小型化。
Materials Chemistry II
4、按基本单元维数：则可以分为三类：①零维纳米材 料，指其在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗 粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；②一 维纳米材料，指在三维空间有二维处于纳米尺度，如纳 米丝、纳米棒、纳米管等；③二维纳米材料，指在三维 空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格 等。因为这些单元往往具有量子性质，所以零维、一维 和二维基本单元又分别有量子点、量子线和量子阱之称。
9.1.1.2 纳米材料的分类
Materials Chemistry II
1、按材质：纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金 属料、纳米高分于材料和纳米复合材料；
2、按形态：纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体 材料(也称纳米块体材料)、纳米膜材料以及纳米液体材 料； 3、按功能：纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性 材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、 纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。
材料化学II Materials Chemistry II
郑州大学材料科学与工程学院 czm@
Materials Chemistry II
第9章 纳米材料
第1节 纳米材料概述
9.1.1 纳米材料的概念
重点
Materials Chemistry II
纳米是一个长度单位，1纳米（nm）=10-3微米（m）=10-6
性和相互作用，包括原子、分子操作，以及利用这些特性的、多
学科交叉的科学和技术。纳米科技主要包括：纳米材料学、纳米
化学、纳米物理学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学等。
9.1.1.1 纳米材料研究的3个阶段
Materials Chemistry II
第—阶段（1990年以前），在实验室探索用各种手段合成纳米颗粒粉体 或块体等单一材料和单相材料，研究评价表征纳米材料的方法，探索纳米