纳米材料整理版(必考))

第一讲：

1、莲花效应：

莲花为什么出淤泥而不染：荷叶面具有超疏水及自洁的特性。荷叶表面的疏水、不吸水的表面始终叶面永远保持一尘不染。

荷叶效应：在表面张力作用下，水与超疏水表面会有一接触角，水珠会夹带灰尘颗粒离开叶面。（蜡质结晶+微细结构导致荷叶效应。）

为什么会有荷叶效应：

在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：

●在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆

起的“小山包”

●在山包上面長滿絨毛

●在“山包”頂則又長出一个个馒头

狀的“碉堡”凸頂。

因此，在“乳突”间的凹陷部份充滿著空氣，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突”的凸頂形成几个点接触。雨点在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滚动中吸附灰尘，並滾出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奧妙所在。

2、自然界的纳米技术：

人体和兽类的牙齿、海洋中的生命粒子、蜜蜂的“罗盘”－腹部的磁性纳米粒子、螃蟹的横行－磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱、海龟在大西洋的巡航－头部磁性粒子的导航、

荷花出污泥而不染、观音土（能吸附等于自身质量1.5-4倍的水和1.1-1.5倍的油分）、徽墨写出的毛笔字光泽性好（纳米级石墨）、壁虎能飞檐走壁（壁虎脚部刚毛组织及单根刚毛与物体表面的黏附）等。

制造纳米材料的路线

3、自上而下：是指通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。

如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。

（从大到下）

4、自下而上：是指以原子分子为基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。

如化学合成、自组装、定位组装等。（从小到大）

5、纳米技术与微电子技术的主要区别：

•纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，

是利用电子的波动性来工作的；

•而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的

粒子性来工作的。

•人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效

控制。

6、什么是纳米科技：

1)他们必须至少有一个维度具有1纳米到

100纳米的尺度；

2)它们的设计过程必须体现微观操控的

能力，即能够从根本

上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质；

3）它们能够组合起来形成更大的结构且具有优异的物理、化学或生物的性能。

7、纳米科技的分类：

(1) 纳米材料学；(2)纳米化学；(3) 纳米体系物理学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；

(6) 纳米力学；(7) 纳米加工学等

8、纳米材料：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。

第二讲：

1、小尺寸效应：当固体颗粒的尺寸与德布

罗意波长相当或更小时，这种颗粒的周

期性边界条件消失，在声、光、电、磁、热力学等方面出现一些新的变化。小尺

寸效应的变现首先是纳米微粒的熔点发

生改变。

2、量子效应：是指当粒子尺寸下降到接近

或小于某一值(激子玻尔半径)时，费米

能级附近的电子能级由准连续能级变为

分立能级的现象。

3、宏观量子隧道理论：电子既具有粒子性

又具有波动性。隧道效应是指电子贯穿

势垒的现象。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）显示出隧道效应，称之为宏观隧

道量子效应。

4、表面与界面效应：粒子尺寸减小，表面

或界面的原子数必然增多，粒子的表面

能级、表面张力增加，从而导致粒子表

面活性增高；

5、热学性能：由于界面原子的振动焓、熵

和组态焓、熵明显不同于点阵原子，使

纳米材料表现出一系列与普通多晶体材

料明显不同的热学特性，如比热容升高、热膨胀系数增大、熔点降低等。

6、熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微

粒的表面能高、表面原子数多，这些表

面原子近邻配位不全，活性大(为原子运

动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加

的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧

下降。

7、光学性能：

1）宽频带强吸收：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。

2）蓝移：即吸收带移向短波长方向

产生原因：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。

3）红移：吸收带移向长波长。

产生原因：由于表面或界面效应，引起纳米微粒的表面张力增大，使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起的。

8、发光性能：光致发光是指在一定波长光

照射下被激发到高能级激发态的电子重

新跃回到低能级被空穴俘获而发射出光

子的现象。

1）电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。

通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射跃迁过程发射声子，此时不发光。

而只有当能级间距较大时，才有可能实现辐射跃迁，发射光子。

2）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。

3）随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向。当粒径大于6nm时，这种光发射现象消失。

9、力学性能：（例子）

1）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，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。

2）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---陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。

10、纳米碳管的性质与应用：

1）性质：碳纳米管奇特的力学性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；

碳纳米管的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制，因此可以认为碳纳米管是一维量子导线。

2）应用：微型马达、纳米壁挂电视（使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，而且可以缩短电子到屏幕之间的距离，从而制成更薄的电视机）。纳米碳管储氢。（碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。）

第三讲：

1固相法：

1)球磨法：球磨设备对混合的宏观尺寸的物料进行球磨，以达到物体尺寸细化的目的，形成合金或是混合物。

机械合金化法：机械合金化法---高能球磨法将合金粉末或预合金粉末在保护气氛中，在一个能产生高能压缩冲击力的密闭容器中进行研磨，可将金属粉末、金属间化合物粉末或难混溶粉末研磨成纳米颗粒，并可在很