纳米微粒尺寸的评估
纳米粉体材料
纳米粉体材料简介纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。
纳米粉体材料是纳米材料中最基本的一类。
纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。
而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。
纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。
它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。
按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。
它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。
细微颗粒一般不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；一般原子团簇具有量子效应和幻数效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。
纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。
纳米粉体材料的基本性质它的性质与以下几个效应有很大的关系：（1）.小尺寸效应随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。
（2）.表面与界面效应纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。
由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。
（3）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成离散能级的现象成为量子尺寸效应。
具体从各方面说来有以下特性：（1）热学特性纳米微粒的熔点，烧结温度比常规粉体要低得多。
这是由于表面与界面效应引起的。
比如：大块的pb的熔点600k，而20nm球形pb微粒熔点降低288k，纳米Ag微粒在低于373k时开始融化，常规Ag的熔点远高于1173k。
还有，纳米TiO2在773k加热出现明显致密化，而大晶粒样品要出现同样的致密化需要再升温873k才能达到，这和烧结温度有很大关系。
纳米材料的结构特征
纳米材料的结构特征一、概论纳米材料是新型结构材料的一种，主要是指材料的基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100 nm)，并由此具有某些新特性的材料。
纳米材料相对于其他材料而言有五大物理效应即：体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，这五大效应成就了纳米材料的诸多优势，这里就不一一介绍了。
纳米材料相对于其他材料的优势正是因为其结构的特点，下面讲述纳米材料的结构特征。
二、自然界中存在的纳米材料早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。
在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌…应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。
它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。
三、纳米材料的概论1、纳米材料：纳米材料是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。
2、纳米科技：纳米科技(纳米科学技术)是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这种特性开发新产品的一门科学技术。
3、纳米结构单元：构成纳米材料的结构单元包括限定的团簇或人造原子团簇、纳米微粒、纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆、纳米单层膜及多层膜等。
（1）原子团簇指几个至几百个原子的聚集体，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整数）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。
纳米材料小尺寸效应的应用
纳米材料小尺寸效应的应用引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。
纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。
关键词：纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景一、纳米材料及其性质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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。
因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。
可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。
以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用，尤其是在小尺寸方面的应用。
二、纳米科技的发展现状著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命”。
随着世界发达国家对纳米研究的深入，我国对纳米材料和技术也非常重视，为推动我国纳米技术成果产业化．国家通过财政投资并带动社会投资．希望通过5—10年的努力．造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。
已先后安排了许多纳米科技的研究项目，并取得显著成绩，纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。
纳米材料小尺寸效应的应用
综述纳米粒子的尺寸效应——纳米材料小尺寸效应的应用Abstract: The word "nano", many people may have heard of, but what is nano, what is Nano materials, many people may not know, this paper focuses on the nano and nano materials research and the development prospect of the introduction, believe that with the development of science and technology, nano materials will be more and more into the life of the people, for the benefit of mankind. Nanotechnology has great value in theory and application of nano materials, known as the "twenty-first Century's most promising material"关键词：纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景1、纳米材料及其性质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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。
因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。
纳米材料的种类和性质
纳米材料的种类和性质摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、种类和性质。
关键词：纳米材料；概念；性质；种类正文：1纳米材料概念：从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。
因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
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。
2纳米材料种类：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。
其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
2.1纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
举例说明纳米微粒尺寸常用的方法
举例说明纳米微粒尺寸常用的方法纳米微粒尺寸的测量方法有很多种，下面将介绍常用的10种方法。
1. 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）TEM是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它通过透射电子束来观察样品的微观结构，可以直接测量纳米级颗粒的尺寸。
2. 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）SEM是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它通过扫描电子束来观察样品的表面形貌，可以间接推测纳米级颗粒的尺寸。
3. 动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）DLS是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它利用光散射的原理，通过测量散射光的强度和时间的变化，来推测颗粒的大小和分布。
4. X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）XRD是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它利用材料对X射线的衍射来推测颗粒的晶格结构和尺寸。
5. 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）AFM是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它通过探针与样品表面进行相互作用，测量力的变化来推测颗粒的尺寸。
6. 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）STM是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它利用电子的隧穿效应，通过探针与样品表面的距离变化来推测颗粒的尺寸。
7. 粒度分析仪粒度分析仪是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它通过测量样品中颗粒的沉降速度、散射光强度等参数，来推测颗粒的尺寸。
8. 静态光散射（Static Light Scattering，SLS）SLS是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
它利用光散射的原理，通过测量散射光的强度和角度的变化，来推测颗粒的大小和分布。
9. 红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）红外光谱是一种常用的纳米微粒尺寸测量方法。
纳米颗粒尺寸、形状以及界面效应对介电和击穿场强等因素的影响
Society Chem.Mater.2010,22,1567–15781567DOI:10.1021/cm902852hNanoparticle,Size,Shape,and Interfacial Effects on Leakage Current Density,Permittivity,and Breakdown Strength of MetalOxide-Polyolefin Nanocomposites:Experiment and TheoryNeng Guo,†Sara A.DiBenedetto,†Pratyush Tewari,‡Michael nagan,*,‡Mark A.Ratner,*,†and Tobin J.Marks*,††Department of Chemistry and the Materials Research Center,Northwestern University,Evanston, Illinois60208-3113and‡Center for Dielectric Studies,Materials Research Institute,The Pennsylvania State University,University Park,Pennsylvania16802-4800Received September11,2009.Revised Manuscript Received December2,2009A series of0-3metal oxide-polyolefin nanocomposites are synthesized via in situ olefin polymeriza-tion,using the following single-site metallocene catalysts:C2-symmetric dichloro[rac-ethylenebisindenyl]-zirconium(IV),Me2Si(t BuN)(η5-C5Me4)TiCl2,and(η5-C5Me5)TiCl3immobilized on methylaluminoxane (MAO)-treated BaTiO3,ZrO2,3-mol%-yttria-stabilized zirconia,8-mol%-yttria-stabilized zirconia, sphere-shaped TiO2nanoparticles,and rod-shaped TiO2nanoparticles.The resulting composite materials are structurally characterized via X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM), transmission electron microscopy(TEM),13C nuclear magnetic resonance(NMR)spectroscopy,and differential scanning calorimetry(DSC).TEM analysis shows that the nanoparticles are well-dispersed in the polymer matrix,with each individual nanoparticle surrounded by polymer.Electrical measurements reveal that most of these nanocomposites have leakage current densities of∼10-6-10-8A/cm2;relative permittivities increase as the nanoparticle volume fraction increases,with measured values as high as6.1. At the same volume fraction,rod-shaped TiO2nanoparticle-isotactic polypropylene nanocomposites exhibit significantly greater permittivities than the corresponding sphere-shaped TiO2nanoparticle-isotactic polypropylene nanocomposites.Effective medium theories fail to give a quantitative description of the capacitance behavior,but do aid substantially in interpreting the trends qualitatively.The energy storage densities of these nanocomposites are estimated to be as high as9.4J/cm3.IntroductionFuture pulsed-power and power electronic capacitors will require dielectric materials with ultimate energy storage den-sities of>30J/cm3,operating voltages of>10kV,and milli-second-microsecond charge/discharge times with reliable operation near the dielectric breakdown limit.Importantly, at2and0.2J/cm3,respectively,the operating characteristics of current-generation pulsed power and power electronic capacitors,which utilize either ceramic or polymer dielectric materials,remain significantly short of this goal.1An order-of-magnitude improvement in energy density will require the development of dramatically different types of materials, which substantially increase intrinsic dielectric energy den-sities while reliably operating as close as possible to the die-lectric breakdown limit.For simple linear response dielectric materials,the maximum energy density is defined in eq1,U e¼12εrε0E2ð1Þwhereεr is the relative dielectric permittivity,E the dielec-tric breakdown strength,andε0the vacuum permittivity (8.8542Â10-12F/m).Generally,metal oxides have large permittivities;however,they are limited by low breakdown fields.While organic materials(e.g.,polymers)can provide high breakdown strengths,their generally modest permit-tivities have limited their application.1Recently,inorganic-polymer nanocomposite materials have attracted great interest,because of their potential for high energy densities.2By integrating the complementary*Authors to whom correspondence should be addressed.E-mail addresses: mxl46@(M.T.L.),ratner@(M.A.R.),and t-marks@(T.J.M.).(1)(a)Pan,J.;Li,K.;Li,J.;Hsu,T.;Wang,Q.Appl.Phys.Lett.2009,95,022902.(b)Claude,J.;Lu,Y.;Li,K.;Wang,Q.Chem.Mater.2008, 20,2078–2080.(c)Chu,B.;Zhou,X.;Ren,K.;Neese,B.;Lin,M.;Wang,Q.;Bauer,F.;Zhang,Q.M.Science2006,313,334–336.(d) Cao,Y.;Irwin,P.C.;Younsi,K.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.2004,11,797–807.(e)Nalwa,H.S.,Ed.Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and Their Applications;Academic Press:New York,1999;V ol.2.(f)Sarjeant,W.J.;Zirnheld,J.;MacDougall,F.W.IEEE Trans.Plasma Sci.1998,26,1368–1392.(2)(a)Kim,P.;Doss,N.M.;Tillotson,J.P.;Hotchkiss,P.J.;Pan,M.-J.;Marder,S.R.;Li,J.;Calame,J.P.;Perry,J.W.ACS Nano 2009,3,2581–2592.(b)Li,J.;Seok,S.I.;Chu,B.;Dogan,F.;Zhang, Q.;Wang,Q.Adv.Mater.2009,21,217–221.(c)Li,J.;Claude,J.;Norena-Franco,L.E.;Selk,S.;Wang,Q.Chem.Mater.2008,20, 6304–6306.(d)Gross,S.;Camozzo,D.;Di Noto,V.;Armelao,L.;Tondello,E.Eur.Polym.J.2007,43,673–696.(e)Gilbert,L.J.;Schuman,T.P.;Dogan,F.Ceram.Trans.2006,179,17–26.(f)Rao,Y.;Wong,C.P.J.Appl.Polym.Sci.2004,92,2228–2231.(g)Dias,C.J.;Das-Gupta,D.K.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.1996,3,706–734.(h)Mammone,R.R.;Binder,M.Novel Methods For Preparing Thin,High Permittivity Polymerdielectrics for Capacitor Applica-tions;Proceedings of the34th International Power Sources Symposium, 1990,Cherry Hill,NJ;IEEE:New York,1990;pp395-398./cmPublished on Web01/05/2010 r2010American Chemical1568Chem.Mater.,Vol.22,No.4,2010Guo et al.properties of their constituents,such materials can simul-taneously derive high permittivity from the inorganic in-clusions and high breakdown strength,mechanical flexibility,facile processability,light weight,and tunability of the properties(polymer molecular weight,comonomer incorporation,viscoelastic properties,etc.)from the poly-mer host matrix.3In addition,convincing theoretical argu-ments have been made suggesting that large inclusion-matrix interfacial areas should afford greater polarization levels,dielectric response,and breakdown strength.4 Inorganic-polymer nanocomposites are typically pre-pared via mechanical blending,5solution mixing,6in situ radical polymerization,7and in situ nanoparticle syn-thesis.8However,host-guest incompatibilities intro-duced in these synthetic approaches frequently result in nanoparticle aggregation and phase separation over largelength scales,9which is detrimental to the electrical prop-erties of the composite.10Covalent grafting of the poly-mer chains to inorganic nanoparticle surfaces has alsoproven promising,leading to more effective dispersionand enhanced electrical/mechanical properties;11how-ever,such processes may not be optimally cost-effective,nor may they be easily scaled up.Furthermore,thedevelopment of accurate theoretical models for the di-electric properties of the nanocomposite must be accom-panied by a reliable experimental means to achievenanoparticle deagglomeration.In the huge industrial-scale heterogeneous or slurryolefin polymerization processes practiced today,SiO2isgenerally used as the catalyst support.12Very large localhydrostatic pressures arising from the propagating poly-olefin chains are known to effect extensive SiO2particlefracture and lead to SiO2-polyolefin composites.12Based on this observation,composite materials with enhancedmechanical properties13have been synthesized via in situpolymerizations using filler surface-anchored Ziegler-Natta or metallocene polymerization catalysts.14There-fore,we envisioned that processes meditated by rationallyselected single-site metallocene catalysts supported onferroelectric oxide nanoparticles15might disrupt ubiqui-tous and problematic nanoparticle agglomeration,16toafford homogeneously dispersed nanoparticles within thematrix of a processable,high-strength commodity poly-mer,already used extensively in energy storage capaci-tors.17Moreover,we envisioned that the methylalumino-xane(MAO)co-catalyst14i layer applied to the metaloxide nanoparticle surfaces would,after polymer workupunder ambient conditions,serve as an effective precursorfor a thin Al2O3layer to moderate the large anticipated(3)(a)Nelson,J.K.;Hu,Y.J.Phys.D:Appl.Phys.2005,38,213–222.(b)Tanaka,T.;Montanari,G.C.;M€u lhaupt,R.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.2004,11,763–784.(c)Lewis,T.J.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.1994,15,812–825.(d)Newnham,R.E.Annu.Rev.Mater.Sci.1986,16,47–68.(4)(a)Saha,S.K.Phys.Rev.B2004,69,1254161–125464.(b)Nelson,J.K.;Utracki,L.A.;MacCrone,R.K.;Reed,C.W.IEEE Conf.Electr.Insul.Dielectr.Phenomena2004,314–317.(c)Li,J.Phys.Rev.Lett.2003,90,217601/1–4.(5)(a)Subodh,G.;Deepu,V.;Mohanan,P.;Sebastian,M.T.Appl.Phys.Lett.2009,95,062903.(b)Dang,Z.;Wu,J.;Fan,L.;Nan,C.Chem.Phys.Lett.2003,376,389–394.(6)(a)Goyal,R.K.;Jagadale,P.A.;Mulik,U.P.J.Appl.Polym.Sci.2009,111,2071–2077.(b)Afzal,A.B.;Akhtar,M.J.;Nadeem,M.;Hassan,M.M.J.Phys.Chem.C2009,113,17560–17565.(c)Huang, 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me,R.Macromol.Symp.2003,194,13–26.(b)Kaminsky,W.Macromol.Chem.Phys.1996,197, 3907–3945.(14)For recent reviews of single-site olefin polymerization,see:(a)Amin,S.B.;Marks,T.J.Angew.Chem.,Int.Ed.2008,47,2006–2025.(b)Marks,T.J.,ed.Proc.Natl.Acad.Sci.,U.S.A.,2006,103, 15288-15354,and contributions therein(Special Feature on Poly-merization).(c)Suzuki,anomet.Chem.2005,8,177–216.(d)Alt,H.G.Dalton Trans.2005,20,3271–3276.(e)Kaminsky,W.J.Polym.Sci.Polym.Chem.2004,42,3911–3921.(j)Wang,W.;Wang, L.J.Polym.Mater.2003,20,1–8.(f)Delacroix,O.;Gladysz,J.A.mun.2003,6,665–675.(g)Kaminsky,W.;Arndt-Rosenau, M.Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Com-pounds,2nd Edition;Wiley-VCH Verlag GmbH:Weinheim, Germany,2002.(h)Lin,S.;Waymouth,R.M.Acc.Chem.Res.2002,35,765–773.(i)Chen,E.Y.-X.;Marks,T.J.Chem.Rev.2000,100,1391–1434.(15)For recent reviews of single-site heterogeneous catalysis,see:(a)Thomas,J.M.;Raja,R.;Lewis,D.W.Angew.Chem.,Int.Ed.2005, 44,6456–6482.(b)Cop e ret,C.;Chabanas,R.;Petroff Saint-Arroman, R.;Basset,J.-M.Angew.Chem.,Int.Ed.2003,42,156–181.(c) Hlatky,G.G.Chem.Rev.2000,100,1347–1376.(d)Reven,L.J.Mol.Catal.1994,86,447–477.(16)Kim,P;Jones,S.C.;Hotchkiss,P.J.;Haddock,J.N.;Kippelen,B.;Marder,S.R.;Perry,J.W.Adv.Mater.2007,19,1001–1005. (17)Rabuffi,M.;Picci,G.IEEE Trans.Plasma Sci.2002,30,1939–1942.Article Chem.Mater.,Vol.22,No.4,20101569polyolefin -ferroelectric permittivity contrast.If too large,such contrasts are associated with diminished breakdown strength and suppressed permittivity.18,19In a brief preliminary communication,we reported evidence that high-energy-density BaTiO 3-and TiO 2-isotactic polypropylene nanocomposites could be pre-pared via in situ propylene polymerization mediated by anchoring/alkylating/activating C 2-symmetric dichloro-[rac -ethylenebisindenyl]zirconium(IV)(EBIZrCl 2)on the MAO-treated oxide nanoparticles (see Scheme 1).20The resulting nanocomposites were determined to have rela-tively uniform nanoparticle dispersions and to support remarkably high projected energy storage densities ;as high as 9.4J/cm 3,as determined from permittivity and dielectric breakdown measurements.In this contribution,we significantly extend the inorganic inclusion scope to include a broad variety of nanoparticle types,to investi-gate the effects of nanoparticle identity and shape on the electrical/dielectric properties of the resulting nanocom-posites,and to compare the experimental results with theoretical predictions.We also extend the scope of metallocene polymerization catalysts (see Chart 1)and olefinic monomers,with the goal of achieving nanocom-posites that have comparable or potentially greater pro-cessability and thermal stability.Here,we present a full discussion of the synthesis,microstructural and electrical characterization,and theoretical modeling of these nano-composites.It will be seen that nanoparticle coating with MAO and subsequent in situ polymerization are crucial to achieving effective nanoparticle dispersion,and,simul-taneously,high nanocomposite breakdown strengths (as high as 6.0MV/cm)and high permittivities (as high as 6.1)can be realized to achieve energy storage densities as high as 9.4J/cm 3.Experimental SectionI.Materials and Methods.All manipulations of air-sensitive materials were performed with rigorous exclusion of O 2and moisture in flamed Schlenk-type glassware on a dual-manifold Schlenk line or interfaced to a high-vacuum line (10-5Torr),or in a dinitrogen-filled MBraun glovebox with a high-capacity recirculator (<1ppm O 2and H 2O).Argon (Airgas,pre-purified),ethylene (Airgas,polymerization grade),and propy-lene (Matheson or Airgas,polymerization grade)were purified by passage through a supported MnO oxygen-removal column and an activated Davison 4A molecular sieve column.Styrene (Sigma -Aldrich)was dried sequentially for a week over CaH 2and then triisobutylaluminum,and it was freshly vacuum-transferred prior to polymerization experiments.The monomer 1-octene (Sigma -Aldrich)was dried over CaH 2and was freshly vacuum-transferred prior to polymerization experiments.To-luene was dried using activated alumina and Q-5columns,according to the method described by Grubbs,21and it was additionally vacuum-transferred from Na/K alloy and stored in Teflon-valve sealed bulbs for polymerization experiments.Ba-TiO 3and TiO 2nanoparticles were kindly provided by Prof.Fatih Dogan (University of Missouri,Rolla)and Prof.Thomas Shrout (Penn State University),respectively.20ZrO 2nanopar-ticles were purchased from Sigma -Aldrich.The reagents 3-mol %-yttria-stabilized zirconia (TZ3Y)and 8-mol %-yttria-stabilized zirconia (TZ8Y)nanoparticles were purchased from Tosoh,Inc.TiO 2nanorods were purchased from Reade Ad-vanced Materials (Riverside,RI).All of the nanoparticles were dried in a high vacuum line (10-5Torr)at 80°C overnight to remove the surface-bound water,which is known to affect the dielectric breakdown performance adversely.22The deuteratedScheme 1.Synthesis of Polyolefin -Metal OxideNanocompositesChart 1.Metallocene polymerization catalysts andMAO.(18)(a)Li,J.Y.;Zhang,L.;Ducharme,S.Appl.Phys.Lett.2007,90,132901/1–132901/3.(b)Li,J.Y .;Huang,C.;Zhang,Q.M.Appl.Phys.Lett.2004,84,3124–3126.(19)Cheng,Y.;Chen,X.;Wu,K.;Wu,S.;Chen,Y.;Meng,Y.J.Appl.Phys.2008,103,034111/1–034111/8.(20)Guo,N.;DiBenedetto,S.A.;Kwon,D.-K.;Wang,L.;Russell,M.T.;Lanagan,M.T.;Facchetti,A.;Marks,T.J.J.Am.Chem.Soc.2007,129,766–767.(21)Pangborn,A.B.;Giardello,M.A.;Grubbs,R.H.;Rosen,R.K.;Timmers,anometallics 1996,15,1518–1520.(22)(a)Hong,T.P.;Lesaint,O.;Gonon,P.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.2009,16,1–10.(b)Ma,D.;Hugener,T.A.;Siegel,R.W.;Christerson,A.;M artensson,E.;€Onneby,C.;Schadler,L.S.Nano-technology 2005,16,724–731.(c)Ma,D.;Siegel,R.W.;Hong,J.;Schadler,L.S.;M artensson,E.;€Onneby,C.J.Mater.Res.2004,19,857–863.1570Chem.Mater.,Vol.22,No.4,2010Guo et al. solvent1,1,2,2-tetrachloroethane-d2was purchased fromCambridge Isotope Laboratories(g99at.%D)and was usedas-received.Methylaluminoxane(MAO;Sigma-Aldrich)waspurified by removing all the volatiles in vacuo from a1.0Msolution in toluene.The reagents dichloro[rac-ethylenebisin-denyl]zirconium(IV)(EBIZrCl2),and trichloro(pentamethyl-cyclopentadienyl)titanium(IV)(Cp*TiCl3)were purchasedfrom Sigma-Aldrich and used as-received.Me2Si(t BuN)(η5-C5Me4)TiCl2(CGCTiCl2)was prepared according to publishedprocedures.23nþ-Si wafers(root-mean-square(rms)roughnessof∼0.5nm)were obtained from Montco Silicon Tech(SpringCity,PA),and aluminum substrates were purchased fromMcMaster-Carr(Chicago,IL);both were cleaned according to standard procedures.24II.Physical and Analytical Measurements.NMR spectra were recorded on a Varian Innova400spectrometer(FT400 MHz,1H;100MHz,13C).Chemical shifts(δ)for13C spectra were referenced using internal solvent resonances and are reported relative to tetramethylsilane.13C NMR assays of polymer microstructure were conducted in1,1,2,2-tetrachlor-oethane-d2containing0.05M Cr(acac)3at130°C.Resonances were assigned according to the literature for isotactic polypro-pylene,poly(ethylene-co-1-octene),and syndiotactic polystyr-ene,respectively(see more below).Elemental analyses were performed by Midwest Microlabs,LLC(Indianapolis,IN). Inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES)analyses were performed by Galbraith Laboratories, Inc.(Knoxville,TN).Powder X-ray diffraction(XRD)patterns were recorded on a Rigaku DMAX-A diffractometer with Ni-filtered Cu K R radiation(λ=1.54184A).Pristine ceramic nanoparticles and composite microstructures were examined with a FEI Quanta sFEG environmental scanning electron microscopy(SEM)system with an accelerating voltage of30 kV.Transmission electron microscopy(TEM)was performed on a Hitachi Model H-8100TEM system with an accelerating voltage of200kV.Samples for TEM imaging were prepared by dipping a TEM grid into a suspension of nanocomposite powder in acetone.Polymer composite thermal transitions were mea-sured on a temperature-modulated differential scanning calori-meter(TA Instruments,Model2920).Typically,ca.10mg of samples were examined,and a ramp rate of10°C/min was used to measure the melting point.To erase thermal history effects, all samples were subjected to two melt-freeze cycles.The data from the second melt-freeze cycle are presented here.III.Electrical Measurements.Metal-insulator-metal (MIM)or metal-insulator-semiconductor(MIS)devices for nanocomposite electrical measurements were fabricated by first doctor-blading nanocomposite films onto aluminum(MIM)or nþ-Si(MIS)substrates,followed by vacuum-depositing top gold electrodes through shadow masks.Specifically,a clean substrate was placed on a hot plate heated to just below the polymer-nanocomposite melting point.A small amount of the polymer nanocomposite powder was placed in the center of the substrate and left until the powder began to melt.Once in this phase,the polymer nanocomposite is spread over the center of the sub-strate using a razor blade.The sample was removed from the heat,cooled,and then pressed in a benchtop press to ensure uniform film thicknesses and smooth surfaces.Gold electrodes 500A thick were vacuum-deposited directly on the films through shadow masks that defined a series of different areas (0.030,0.0225,0.01,0.005,and0.0004cm2)at3Â10-6Torr(at 0.2-0.5A/s).Electrical properties of the films were character-ized by two probe current-voltage(I-V)measurements using a Keithley Model6430Sub-Femtoamp Remote Source Meter, operated by a local LABVIEW program.Triaxial and low triboelectric noise coaxial cables were incorporated with the Keithley remote source meter and Signatone(Gilroy,CA)probe tip holders to minimize the noise level.All electrical measure-ments were performed under ambient conditions.For MIS devices,the leakage current densities(represented by the symbol J,given in units of A/cm2)were measured with positive/negative polarity applied to the gold electrode to ensure that the nþ-Si substrate was operated in accumulation.A delay time of1s was incorporated into the source-delay-measure cycle to settle the source before recording currents.Capacitance measurements of the MIM and MIS structures were performed with a two-probe digital capacitance meter(Model3000,GLK Instruments,San Diego,CA)at(5and24kHz.Several methods have been developed to measure the dielectric breakdown strength of polymer and nanocomposite films.1a,25In this study,various methods were examined(e.g.,pull-down electrodes25),and the two-probe method was used to collect the present data because the top gold electrodes had already been deposited for leakage current and capacitance measurements.The dielectric break-down strength of the each type of composite film was measured in a Galden heat-transfer fluid bath at room temperature with a high-voltage amplifier(Model TREK30/20A,TREK,Inc., Medina,NY)with a ramp rate of1000V/s.26The thicknesses of the dielectric films were measured with a Tencor P-10step profilometer,and these thicknesses were used to calculate the dielectric constants and breakdown strengths of the film sam-ples(see Table2,presented later in this work).IV.Representative Immobilization of a Metallocene Catalyst on Metal Oxide Nanoparticles.In the glovebox,2.0g of BaTiO3 nanoparticles,200mg of MAO,and50mL of dry toluene were loaded into a predried100-mL Schlenk reaction flask,which was then attached to the high vacuum line.Upon stirring,the mixture became a fine slurry.The slurry was next subjected to alternating sonication and vigorous stirring for2days with constant removal of evolving CH4.Next,the nanoparticles were collected by filtration and washed with fresh toluene(50mLÂ4) to remove any residual MAO.Then,200mg of metallocene catalyst EBIZrCl2and50mL of toluene were loaded in the flask containing the MAO-coated nanoparticles.The color of the nanoparticles immediately became purple.The slurry mixture was again subjected to alternating sonication and vigorous Table1.XRD Linewidth Analysis Results for the Oxide-PolypropyleneNanocompositespowder2θ(deg)full width athalf maximum,fwhm(deg)crystallitesize,L(nm)a BaTiO331.4120.25435.6 BaTiO3-polypropylene31.6490.27132.8 TiO225.3600.31727.1 TiO2-polypropylene25.3580.36123.5a Crystallite size(L)is calculated using the Scherrer equation:L=0.9λ/[B(cosθB)whereλis the X-ray wavelength,B the full width at half maximum(fwhm)of the diffraction peak,andθB the Bragg angle.(23)Stevens,J.C.;Timmers,F.J.;Wilson,D.R.;Schmidt,G.F.;Nickias,P.N.;Rosen,R.K.;Knight,G.W.;Lai,S.Eur.Patent Application EP416815A2,1991.(24)Yoon,M.-H.;Kim,C.;Facchetti,A.;Marks,T.J.J.Am.Chem.Soc.2006,128,12851–12869.(25)Claude,J.;Lu,Y.;Wang,Q.Appl.Phys.Lett.2007,91,212904/1–212904/3.(26)Gadoum,A.;Gosse,A.;Gosse,J.P.Eur.Polym.J.1997,33,1161–1166.Article Chem.Mater.,Vol.22,No.4,20101571stirring overnight.The nanoparticles were then collected by filtration and washed with fresh toluene until the toluene remained colorless.The nanoparticles were dried on the high-vacuum line overnight and stored in a sealed container in the glovebox at-40°C in darkness.V.Representative Synthesis of an Isotactic Polypropylene Nanocomposite via In Situ Propylene Polymerization.In the glovebox,a250-mL round-bottom three-neck Morton flask, which had been dried at160°C overnight and equipped with a large magnetic stirring bar,was charged with50mL of dry toluene,200mg of functionalized nanoparticles,and50mg of MAO.The assembled flask was removed from the glovebox and the contents were subjected to sonication for30min with vigorous stirring.The flask was then attached to a high vacuum line(10-5Torr),the catalyst slurry was freeze-pump-thaw degassed,equilibrated at the desired reaction temperature using an external bath,and saturated with1.0atm(pressure control using a mercury bubbler)of rigorously purified propylene while being vigorously stirred.After a measured time interval,the polymerization was quenched by the addition of5mL of methanol,and the reaction mixture was then poured into800 mL of methanol.The composite was allowed to fully precipitate overnight and was then collected by filtration,washed with fresh methanol,and dried on the high vacuum line overnight to constant weight.VI.Representative Synthesis of a Poly(ethylene-co-1-octene) Nanocomposite via In Situ Ethyleneþ1-Octene Copolymeriza-tion.In the glovebox,a250-mL round-bottom three-neck Morton flask,which had been dried at160°C overnight and equip-ped with a large magnetic stirring bar,was charged with50mL of dry toluene,200mg of functionalized nanoparticles,and 50mg of MAO.The assembled flask was removed from the glo-vebox and the contents were subjected to sonication for30min with vigorous stirring.The flask was then attached to a high vacuum line(10-5Torr),the catalyst slurry was freeze-pump-thaw degassed,equilibrated at the desired reaction temperature using an external bath,and saturated with1.0atm(pressure control using a mercury bubbler)of rigorously purified ethylene while being vigorously stirred.Next,5mL of freshly vacuum-transferred1-octene was quickly injected into the rapidly stirred flask using a gas-tight syringe equipped with a flattened spraying needle.After a measured time interval,the polymerization was quenched by the addition of5mL of methanol,and the reaction mixture was then poured into800mL of methanol.The com-posite was allowed to fully precipitate overnight and was then collected by filtration,washed with fresh methanol,and dried on the high vacuum line overnight to constant weight.Film fabri-cation of the composite powders into thin films for MIS electrical testing was unsuccessful due to the high incorporation level of1-octene.VII.Representative Synthesis of a Syndiotactic Polystyrene Nanocomposite via In Situ Styrene Polymerization.In the glove-box,a250-mL round-bottom three-neck Morton flask,which had been dried at160°C overnight and equipped with a large magnetic stirring bar,was charged with50mL of dry toluene, 200mg of functionalized nanoparticles,and50mg of MAO.The assembled flask was removed from the glovebox and the con-tents were subjected to sonication for30min with vigorous stirring.The flask was then attached to a high vacuum line(10-5 Torr)and equilibrated at the desired reaction temperature usingTable2.Electrical Characterization Results for Metal Oxide-Polypropylene Nanocomposites aentry compositenanoparticlecontent b(vol%)melting temperature,T m c(°C)permittivity dbreakdownstrength e(MV/cm)energy density,U f(J/cm3)1BaTiO3-iso PP0.5136.8 2.7(0.1 3.1 1.2(0.1 2BaTiO3-iso PP0.9142.8 3.1(1.2>4.8>4.0(0.6 3BaTiO3-iso PP 2.6142.1 2.7(0.2 3.9 1.8(0.2 4BaTiO3-iso PP 5.2145.6 2.9(1.0 2.7 1.0(0.3 5BaTiO3-iso PP 6.7144.8 5.1(1.7 4.1 3.7(1.2 6BaTiO3-iso PP13.6144.8 6.1(0.9>5.9>9.4(1.37s TiO2-iso PP g0.1135.2 2.2(0.1>2.8>0.8(0.1 8s TiO2-iso PP g 1.6142.4 2.8(0.2 4.1 2.1(0.2 9s TiO2-iso PP g 3.1142.6 2.8(0.1 2.8 1.0(0.1 10s TiO2-iso PP g 6.2144.8 3.0(0.2 4.7 2.8(0.211r TiO2-iso PP h 1.4139.7 3.4(0.3 1.00.40(0.35 12r TiO2-iso PP h 3.0142.4 4.1(0.70.90.22(0.09 13r TiO2-iso PP h 5.1143.7 4.9(0.40.90.23(0.0814ZrO2-iso PP 1.6142.9 1.7(0.3 1.50.1815ZrO2-iso PP 3.9145.2 2.0(0.4 1.90.3216ZrO2-iso PP7.5144.9 4.8(1.1 1.00.2017ZrO2-iso PP9.4144.4 6.9(2.6 2.0 1.02(0.7318TZ3Y-iso PP 1.1142.9 1.1(0.1N/A N/A19TZ3Y-iso PP 3.1143.5 1.8(0.2N/A N/A20TZ3Y-iso PP 4.3143.8 2.0(0.2N/A N/A21TZ3Y-iso PP 6.7144.9 2.7(0.2N/A N/A22TZ8Y-iso PP0.9142.9 1.4(0.1 3.8 1.07(0.04 23TZ8Y-iso PP 2.9143.2 1.8(0.1 2.80.5924TZ8Y-iso PP 3.8143.2 2.0(0.2 2.00.4125TZ8Y-iso PP 6.6146.2 2.4(0.4 2.20.61a Polymerizations performed in50mL of toluene under1.0atm of propylene at20°C.b From elemental analysis.c From differential scanning calorimetry(DSC).d Derived from capacitance measurements.e Calculated by dividing the breakdown voltage by the film thickness,which is measured using a Tencor p10profilometer.f Energy density(U)is calculated from the following relation:U=0.5ε0εr E b2,whereε0is the permittivity of a vacuum,εr the relative permittivity,and E b the breakdown strength.g The superscripted prefix“s”denotes sphere-shaped TiO2nanoparticles.h The superscripted prefix“r”denotes rod-shaped TiO2nanoparticles.。
纳米粒子粒径评估方法
STM、SEM、SPM显微镜
形貌
X射线衍射法 IR、UV、拉曼光谱 法
核磁共振法
物相、构 造
纳米材料
化学成份
常规化学分析法（特征元素旳 解-滴定） 原子光谱分析法（吸收光谱、 射光谱） 质谱法 X射线特征分析法（X射线荧 光谱法、电子探针分析法） 光电子能谱法
性能
力学分析仪（显微硬度仪，力学万能试验 机等） 热综合分析仪，磁强分析仪，光谱仪等 多种性能测试仪
电镜照片 仪器照片
透射电镜旳构造
• 透射电镜旳外观照片。
• 一般透射电镜由电子光学 系统、电源系统、真空系 统、循环冷却系统和控制 系统构成，其中电子光学 系统是电镜旳主要构成部 分。
高辨别透射电子显微镜
• 透射电子显微镜发展旳另一种体现是辨别率旳不断提升。 目前200KV透射电子显微镜旳辨别率好于0.2nm，1000KV透 射电子显微镜旳辨别率到达0.1nm。
（a）恒高度模式；
（b）恒电流模式
S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压，
Vz为控制针尖在 z 方向高度旳反馈电压。
6.2 原子力显微镜旳基本原理
• 原子力显微镜旳基本原理是：将一种对薄弱力极敏感 旳微悬臂一端固定，另一端有一微小旳针尖，针尖与样品 表面轻轻接触，因为针尖尖端原子与样品表面原子间存在 极薄弱旳排斥力，经过在扫描时控制这种力旳恒定，带有 针尖旳微悬臂将相应于针尖与样品表面原子间作用力旳等 位面而在垂直于样品旳表面方向起伏运动。
反馈控制是本系统旳关键工作 机制。
量子森林 • 该图是由托斯藤-兹欧姆巴在德国试验室中捕获旳图像，它展示了锗
硅量子点——仅高15纳米，直径为70纳米。
• 经过使用千万亿分之一秒旳激光脉冲撞击蓝宝石表面，蓝宝石被加热 了，表面留下了一道浅细旳陷坑之后，这块蓝宝石再次被撞击加热， 就产生了图中可见旳内部梯级构造
纳米微粒的特性、制备及评估综述
文 章编 号 ：１ ０ — ８ ７ ２ ０ ） ２ ０ １ －３ ０ ３７ ３ （ ０ ６ Ｏ — １ ３０
纳 米 微 粒 的 特 性 、 备 及 评 估 综 述 制
尹 艳 红 ，刘 维 平
（ 江西 理 工 大 学 材 料 与化 学 工 程学 院 ． 西 赣 州 ３ １ ０ ） 江 ４ ０ ０ 摘 要 ： 述 了纳 米 微 粒 的 四 个 基 本 特 性 ： 子 尺 寸 效 应 、 面 效 应 、 积 效 应 及 宏 观 量 子 隧 道 效 应 ・ 综 量 表 体 并
维普资讯
ｌ４ ｌ
广
东
பைடு நூலகம்
有
色
金
属
学
报
２００６
１ ３ 体 积 效 应 ．
寸 分布 主要 取决 于两 电极 间 的 电压 、 流 和气 体 压 电 力． 靶材 的表 面积 愈 大 ， 子 的 蒸 发 速 率 愈 高 ， 微 原 超
粒子 的获 得量 就愈 多． ２ １３ 混 合 等 离 子 法 ．．
１２ ．
表 面 效 应
宏观 物种交 接 区 域 内 的粒 子 称 为 纳 米 粒 子． 广 义 从 上来 说纳米 微 粒 属 于准 零 微 纳 米 材 料 范 畴． 当物 质 组 成 的精细 度达 到 纳 米 级 时 ， 会 表 现 出一 些 奇 特 就
的物理 、 学 性 能 ， 而 为 新 材 料 的 产 生 创造 条件 ． 化 从
由于表面 原子 和 内部 原 子所 处 的环 境 不 同 ， 从 而 引起 的种种 特 殊 效 应 统 称 为表 面 效应 ． 细 粉末 超 的粒 径 与表 面原 子 数 的关 系 见表 １ 由表 ｌ可 知 ， ． 随 着粒 径 的减小 ， 面原 子所 占比例迅 速增 加 ． 是 由 表 这 于微 粒粒 径减 小 ， 粒 的 比表 面 积 急剧 变 大所 致． 微 粒 径 为 ｌｎ 的颗 粒 ， ｍ 其表 面 原子 所 占 比例 为 ９ ． ９
纳米颗粒 尺寸 表面电荷 特征参量-概述说明以及解释
纳米颗粒尺寸表面电荷特征参量-概述说明以及解释1.引言1.1 概述纳米颗粒是一种具有特殊尺寸范围的微小粒子，其尺寸通常在1至100纳米之间。
与传统的微粒相比，纳米颗粒具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在许多领域都得到了广泛的应用与研究。
纳米颗粒的尺寸是指其三维空间维度的线性度量，即直径或半径。
由于纳米颗粒的尺寸在纳米级别，约为原子和分子的尺寸，因此纳米颗粒与宏观物质之间存在显著的尺寸效应。
这种尺寸效应导致了纳米颗粒的许多独特性质和行为，例如表面积增加、光学性质变化、磁性增强等。
纳米颗粒的表面电荷也是其另一个重要特征。
表面电荷是指纳米颗粒表面的带电状况，可以通过溶液中溶质的电离状态来描述。
由于纳米颗粒相对较小的尺寸，其表面积与体积之比较大，表面带电状况对纳米颗粒的物理、化学和生物学特性具有重要影响。
例如，表面电荷的变化可以影响纳米颗粒的稳定性、相互作用以及在生物体内的吸附和转运等。
特征参量是用来描述和表征纳米颗粒的重要参数和性质的指标。
常见的特征参量包括表面积、体积、形状、晶体结构、光学性质、磁性等。
这些参量可以通过各种实验方法和理论计算来获取和分析，从而揭示纳米颗粒的特性和行为。
本文旨在探讨纳米颗粒的尺寸、表面电荷和特征参量对其性质和应用的重要性和影响因素。
通过对这些方面的综合了解，我们可以更好地理解纳米颗粒的特性，并为其在材料科学、生物医学、环境科学等领域的应用提供理论和实验基础。
本文将依次介绍纳米颗粒尺寸的概念和定义、影响纳米颗粒尺寸的因素，以及纳米颗粒表面电荷的含义和影响因素。
最后，我们将讨论纳米颗粒的特征参量的定义、应用和重要性，并对未来的研究方向进行展望。
1.2文章结构文章结构部分是对整篇文章内容的组织和安排进行介绍的部分。
在本文中，我们将按照以下结构来展开讨论纳米颗粒的尺寸、表面电荷和特征参量的相关内容：2. 正文部分2.1 纳米颗粒尺寸在这一部分，我们将会详细讨论纳米颗粒尺寸的含义和定义，以及影响纳米颗粒尺寸的因素。
纳米颗粒的判断标准
纳米颗粒的判断标准英文回答：Particle size (< 100 nm)。
The most common criterion used to define nanoparticlesis their particle size. Nanoparticles are typically defined as particles with at least one dimension less than 100 nanometers (nm). This size range is important because it is at this scale that particles begin to exhibit unique properties that are not observed in larger particles. For example, nanoparticles have a higher surface area to volume ratio than larger particles, which makes them more reactive. They also have a higher proportion of surface atoms, which can lead to different electronic and optical properties.Other criteria.In addition to particle size, there are a number of other criteria that can be used to define nanoparticles.These include:Shape: Nanoparticles can be spherical, cubic, rod-shaped, or have other shapes. The shape of a nanoparticle can affect its properties, such as its reactivity and optical properties.Composition: Nanoparticles can be made from a variety of materials, including metals, semiconductors, and polymers. The composition of a nanoparticle can affect its properties, such as its electrical conductivity and thermal conductivity.Surface chemistry: The surface chemistry of a nanoparticle can affect its properties, such as its wettability and reactivity.中文回答：纳米颗粒判断标准。
纳米材料
纳米材料定义: 在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料零维：类似于点状结构，立体空间的三个方向均在纳米尺度，如纳米粒子，原子团簇一维，类似于线状结构，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米管、纳米棒等（量子线）二维，类似于面状结构，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（量子阱）量子尺寸效应：量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；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分子轨道能级，能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
量子尺寸效应的主要影响：导体向绝缘体的转变,吸收光谱的兰移现象,纳米材料的磁化率大于块体材料,纳米颗粒的发光现象出现变化小尺寸效应:粒子尺寸与光的波长、单磁筹临界尺寸、超导态的相干长度相当或更小时，引起的相关物理性质的变化,小尺寸效应主要影响: 光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；磁矫顽力等增强；磁有序态向磁无序态过渡；超导相向正常相转变；纳米粒子熔点的改变：表面效应: 粒子直径减少到纳米级，表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加；处于表面的原子数增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同：表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。
表面效应的主要影响：表面化学反应活性,催化活性,,纳米材料的稳定性,铁磁质的居里温度降低,熔点降低,烧结温度降低,晶化温度降低,纳米材料的超塑性和超延展性,介电材料的高介电常数,吸收光谱的红移现象,量子隧道效应微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。
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。
原理超顺磁效应磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。
纳米粒子粒径评估方法ppt课件
量子森林 该图是由托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获的图像，它展示了锗硅量
子点——仅高15纳米，直径为70纳米。
通过使用千万亿分之一秒的激光脉冲撞击蓝宝石表面，蓝宝石被加热了 ，表面留下了一道浅细的陷坑之后，这块蓝宝石再次被撞击加热，就产 生了图中可见的内部梯级结构
其优点是可以直接观察颗粒是否团聚。
缺点是取样的代表性差，实验结果的重复性差，测 量速度慢。
5.1.1透射电镜观察法注意的问题
测得的颗粒粒径是团聚体的粒径。
在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声 波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们 全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果 在样品 Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把 团聚体误认为是一次颗粒。
因此，精确测定晶粒度时，应当从测量的半高宽度BM中扣除二类 畸变引起的宽化． 在大多情况下，很多人用谢乐公式计算晶粒度时未扣除二类畸变引 起的宽化．
1.用X射线衍射法测定溶胶-凝胶法制备的ZnO微粉 的晶型时，发现位于31.73o, 36.21o，62.81o的三个最 强衍射峰发生的宽化，这说明了什么？三个衍射峰 的半峰宽分别为0.386 o，0.451 o和0.568 o, 试计算 ZnO微粉中晶粒粒径。
谢乐公式计算晶粒度时注意的问题
① 选取多条低角度X射线衍射线(2θ≤50)进行计算，然后求得平均粒 径． 这是因为高角度衍射线的Ka1与Ka2线分裂开，这会影响测量线宽化 值；
② 粒径很小时，扣除第二类畸变引起的宽化. 例如d为几纳米时，由于表面张力的增大，颗粒内部受到大的压
力，结果颗粒内部会产生第二类畸变，这也会导致X射线线宽化.
的平均晶粒度．
tem上金属纳米颗粒尺寸分布
金属纳米颗粒是指直径在1到100纳米之间的金属微粒。
由于其尺寸小、表面积大、电子结构和量子尺寸效应的存在，金属纳米颗粒表现出许多优异的物理、化学和生物学性质，因此在催化、传感、生物医学和纳米材料等领域具有广泛的应用前景。
对金属纳米颗粒尺寸分布进行研究和控制，对于揭示其性质和应用具有重要意义。
一、金属纳米颗粒尺寸分布的研究方法1. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：可以直接观察金属纳米颗粒的形貌和分布情况，但无法获得统计学上的尺寸分布。
2. X射线衍射（XRD）：通过X射线衍射实验确定纳米颗粒的尺寸和晶格结构。
3. 勒布里楞振荡（LSPR）谱学：可以通过纳米颗粒的表面等离子共振峰的位置和强度对其尺寸进行表征。
4. 动态光散射（DLS）：可以获得纳米颗粒的尺寸分布和聚集状态。
二、金属纳米颗粒尺寸分布的调控方法1. 化学合成方法：包括溶液法合成、微乳液法合成、溶胶-凝胶法合成等，可以通过控制反应条件和引入表面活性剂等手段来调控纳米颗粒的尺寸分布。
2. 物理方法：包括热蒸发、溅射、离子束等方法，可以通过控制沉积速率和表面能来调控纳米颗粒的尺寸分布。
三、金属纳米颗粒尺寸分布对其性质和应用的影响1. 尺寸效应：小尺寸效应导致纳米颗粒的物理、化学和光电性质发生显著变化，如熔点降低、塞曼效应增强等。
2. 表面效应：纳米颗粒的表面原子数目增加，表面能增加，导致其催化和表面增强拉曼光谱等性质得到提升。
3. 尺寸分布对应用的影响：不同尺寸分布的纳米颗粒对催化、传感、生物医学和纳米材料等领域的应用效果有明显差异。
四、金属纳米颗粒尺寸分布的调控策略1. 从化学合成和物理方法上进行尺寸分布的控制策略2. 结合表征手段，实时监测纳米颗粒尺寸分布的调控效果3. 探索纳米颗粒尺寸分布与性质、应用之间的关联机理结语：金属纳米颗粒尺寸分布是纳米颗粒研究中的重要参数，其研究对于深化对纳米颗粒性质和应用的理解具有重要意义。
纳米材料的应用
纳米材料的应用摘要：纳米材料由于其独特的效应，使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。
近年来，随着科学技术尤其是纳米技术的发展，纳米材料已经从高精尖领域逐渐走到百姓的生活之中，它的科学价值及应用价值逐渐被发现和认识，纳米技术的研究得到了更多的关注。
本文将从纳米材料的概况、发展、应用与前景进行介绍、分析和总结。
关键词：纳米材料；应用；纳米技术1 纳米材料的概况纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。
它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1~102nm。
它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。
前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。
材料的结构决定材料的性质。
纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应(如：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等)，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。
2 纳米材料的发展自上世纪70年代纳米颗粒材料问世以来,80年代中期在实验室合成了纳米块体材料,至今已有30多年的历史,但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在80年代中期以后。
因此,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段。
第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索,用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。
1984年,格雷特采用气体冷凝方法,制备成功铁纳米微粉。
随后,美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。
对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。
研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。
第二阶段(1994年前)人们关注的热点是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,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及发展复合材料的合成及物性的探索,一度成为纳米材料研究的主导方向。
流体力学中的纳米颗粒分析
流体力学中的纳米颗粒分析引言纳米颗粒是一种具有极小尺寸的微粒，其尺寸范围在1到100纳米之间。
由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米颗粒在物理、化学、生物学和材料科学等领域具有重要的应用价值。
流体力学是研究流体运动及其与力的关系的学科，而流体力学中的纳米颗粒分析则是探索纳米颗粒在流体中的行为与性质的重要研究方向。
本文将回顾流体力学中的纳米颗粒分析的相关理论、方法和应用，并展望未来的研究发展方向。
纳米颗粒在流体中的行为纳米颗粒在流体中的运动行为受到多种因素的影响，包括流体性质、纳米颗粒的尺寸、形状和表面性质等。
其中最重要的因素之一是纳米颗粒与流体之间的相互作用力。
常见的纳米颗粒与流体之间的相互作用力有静电力、浮力、黏滞阻力和布朗力等。
这些作用力的大小和方向直接影响纳米颗粒在流体中的受力情况和运动轨迹。
纳米颗粒在流体中的行为可以分为三种主要形态：扩散、输运和聚集。
扩散是指纳米颗粒在流体中的随机热运动，其运动路径呈现无规则的布朗运动。
输运是指纳米颗粒在流体中受到外部力的作用而在流体中产生有向的移动。
聚集是指纳米颗粒之间的相互作用力导致其聚集成团或形成有序结构。
纳米颗粒的扩散、输运和聚集行为对于纳米颗粒在流体中的分散状态、扩散速率和沉降速率等具有重要影响。
流体力学中的纳米颗粒分析方法流体力学中的纳米颗粒分析方法可以分为实验方法和数值模拟方法两大类。
实验方法实验方法是通过实际实验观测纳米颗粒在流体中的行为以及测量其相关物理量来进行分析。
常用的实验方法有激光光散射、动态光散射、扫描电子显微镜和原子力显微镜等。
激光光散射是一种基于光的散射原理测量纳米颗粒尺寸和分布的方法，可以用来研究纳米颗粒的扩散和聚集行为。
动态光散射可以用来测量纳米颗粒的输运行为和流体中纳米颗粒的浓度分布。
扫描电子显微镜和原子力显微镜则可以用来观察纳米颗粒的形貌和表面结构。
数值模拟方法数值模拟方法是通过建立纳米颗粒在流体中的数学模型，利用计算机模拟纳米颗粒在流体中的行为。
纳米颗粒粒径大小、粒径分布及比表面积的测试方法与各种方法的特点
纳米微粒一般是指一次颗粒,它的尺度一般在1～100nm之间,是介于原子、分子和固体体相之间的物质状态。
由于纳米微粒具有尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应,使它具有不同于常规固体的新的特性。
在纳米态下,颗粒尺寸更是对其性质有着强烈的影响,纳米材料的颗粒度的大小是衡量纳米材料最重要的参数之一。
因此,在纳米材料的研究中准确测量纳米颗粒的大小是很重要的。
目前可用于测定纳米颗粒粒径的方法有:透射电镜观察法(TEM观察法)、X射线衍射线宽法(谢乐公式)、X射线小角散射法、BET比表面积法、离心沉降法、动态光散射法等6种。
1.1透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopeTEM)。
其原理是:以高能电子(一般为50-200keV)穿透样品,根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍射方向不同,经后面电磁透镜的放大后,在荧光屏上显示出图像。
TEM分辨率达0.3nm,晶格分辨率达到0.1nm～0.2nm,其样品可放在直径2mm～3mm的铜网上进行测试。
用电镜测量粒径首先应尽量多拍摄有代表性的纳米微粒形貌像,然后由这些电镜照片来测量粒径。
该方法是颗粒度观察测定的绝对方法,因而具有高可靠性和直观性。
用这种方法可以观察到纳米粒子的平均直径或粒径分布。
电镜观察法的缺点一是由于观察用的粉末极少,使得测量结果缺乏统计性;二是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时,首先需用超声波分散法使超微粉末分散在载液中,有时候很难使它们全部分散成一次颗粒,特别是纳米粒子很难分散,往往使测得的颗粒粒径是团聚体的粒径。
1.2 X射线衍射线宽法(谢乐公式)由衍射原理可知,物质的X射线衍射峰(花样)与物质内部的晶体结构有关。
每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型,晶胞大小,晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。
因此,没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射峰。
通过分析待测试样的X 射线衍射峰,不仅可以知道物质的化学成分,还能知道它们的存在状态,即能知道某元素是以单质存在或者以化合物、混合物及同素异构体存在。
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• 光子相关谱法（激光粒度分析法）
4
Adv. Mater. 2003,15,NO.14, 1207
5
Materials Letters 44(2000)228–232
6
Langmuir, Vol. 17, No. 16, 2001, 4782
7
透射电镜观察法
( TEM )
用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒
11
X射线衍射线线宽法
当 X射线入射晶体时，产生衍射，并满足布拉格方 程（ Bragg）：
n=2dsinθ
: X射线的波长；d:原子的面间距； θ：入射线与衍射线间的夹角的二分之一。
当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒 为多晶时，该法测得的是组成单个颗粒的单个晶粒 的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳米粒 子晶粒度的评估。实验表明晶粒度小于等于50nm时， 测量值与实际值相近，反之测量值往往小于实际值。
12
X射线衍射线线宽法
当晶粒度很小时，由于晶粒的细小可引起 衍射线的宽化，其衍射线半高强度处的宽化度 B与晶粒尺寸D关系为： D＝0.89 / B cos (5-1)
式中：D为沿晶面垂直方向的晶粒大小；B表 示单纯因晶粒度效应引起的宽化度（单位为弧 度），为实测宽化BM与仪器宽化BS之差： B＝BM - BS 或 B2＝BM2 - BS2 (5-2)
18
比表面积法
通过测定粉体单位重量的比表面积 SW，可 由下式计算纳米粉中的颗粒直径(设颗粒呈球 形 )； D = 6 / SW
式中：为密度， D为颗粒直径 , SW的一般 测量方法为 BET多层气体吸附法 ,BET法是固 体比表面测定时常用的方法。
19
X-射线小角散射法
(Small Angle X-ray Scattering，SAXS)
2 p , r
为颗粒表面能，r为颗粒半径），
应当从测量的半高宽度BM中扣除二类畸变引起
的宽化。很多人用谢乐公式计算晶粒度时未扣
除二类畸变引起的宽化。
17
X射线衍射线线宽法
此外，根据晶粒大小还可以计算出晶胞的 堆 跺 层 数 ， 如 以 （ 101 ） 晶 面 为 例 。 根 据 Nd101=D101, d101 为（ 101 ）面的晶面间距，由此 可获得晶粒在垂直于（101）晶面方向上晶胞的 堆跺层数N＝D101/d101 ，获得纳米晶粒在某一晶 面方向上含有的晶面组成。
(250o) 进行计算，然后求得平均粒径。
这是因为高角度衍射线的 Ka1与Ka2双线
分裂开，这会影响测量线宽化值。
Байду номын сангаас16
X射线衍射线线宽法
（2）当粒径很小时，例如d 为几纳米时，由于
表面张力的增大，颗粒内部受到大的压力 （ 结果颗粒内部会产生第二类畸变，这也会导致 X 射线线宽化。因此，为了精确测定晶粒度时，
径的分布。该方法是一种颗粒度观察测定的绝
对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将纳
米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用铜网 上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后， 放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的纳米 微粒形貌像，然后由这些电镜照片来测量粒径。
8
透射电镜观察法
测量方法有以下几种：
a ．交叉法： 用尺或金相显微镜中的标尺
二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。
例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”
就是制造二次颗粒。
•
纳米微粒一般指一次颗粒：它的结构可以
为晶态、非晶态和液晶态。在晶态的情况 下，纳米粒子可以为多晶体，当粒径小到 一定值后则为单晶体。只有纳米微粒为单 晶体时，纳米微粒的粒径才与晶粒尺寸 （晶粒度）相同。
2
X射线衍射线线宽法
任意地测量约 600颗粒的交叉长度，然后将
交叉长度的算术平均值乘以一统计因子
(1．56)来获得平均粒径； b ．测量约 100 颗粒中每个颗粒的最大交叉 长度，纳米微粒粒径为这些交叉长度的算 术平均值。
9
透射电镜观察法
c. 求出纳米微粒的粒径或等当粒径，画出 粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将
分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均
13
X射线衍射线线宽法
BS可通过测量标准物 (粒径＞ 100nm) 的半峰值强度处的宽度得到。 BS 的测 量峰位与 BM 的测量峰位尽可能接近。 最好是选取与被测量纳米粉相同材料 的粗晶样品来测得BS值。
14
Langmuir, Vol. 19, No. 7, 2003
15
X射线衍射线线宽法
在计算晶粒度时还需注意以下问题： （ 1 ）应选取多条低角度 X 射线衍射线
•
颗粒尺寸的定义
对球形颗粒来说颗粒尺寸 ( 粒径 ) 即
指其直径。对不规则颗粒尺寸的定义 常为等当直径，如体积等当直径，投 影面积直径等等。
3
粒径评估的方法
• • • • • 透射电镜观察法(TEM观察法) X射线衍射线线宽法(谢乐公式) 比表面积法 X-射线小角散射法 拉曼(Raman)散射法
粒径。 用 TEM 方法获得的颗粒粒径，不一定是一 次颗粒，往往是由更小的晶体或非晶，准 晶微粒构成的纳米级微粒。这是因为在制
备电镜观察用的样品时，很难使它们全部
分散成一次颗粒。
10
X射线衍射线线宽法(谢乐公式)
电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶 粒度。 X 射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的 最好方法。X射线是一种波长很短的电磁波 （ 0.001-10nm) 。由于 X 射线与可见光一样，具 有波动性，故可产生衍射。因晶体的面间距与 X 射线的波长相当，因此可用晶体的原子面网 间距作为光学上的三维光栅。
颗粒及颗粒度的概念
•
• •
晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相， 无晶界。 一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立 的粒子。 团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体 桥键作用而形成的更大的颗粒。团聚体内 含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。
1
•
小角散射是指 x 射线衍射中倒易点阵原点
(000) 结点附近的相干散射现象，散射角大约
为 10-2-10-1Rad 数量级。衍射光的强度，在入
射光方向最大，随衍射角增大而减少，在角度 o 处则变为 0 ， o 与波长 和粒子的平均直径 d 之间近似满足下列关系式：
o = / d
20