纳米科学与技术-纳米科学的基本理论
纳米科技的基本概念和内涵
一、纳米科技的基本概念和内涵1．1 纳米科学技术（Nano－ST）是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，他的基本涵义是在纳米尺寸（10－10～10－7）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创新新物质。
纳米科技是研究由尺寸在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。
纳米科技主要包括：⑴纳米体系物理学；⑵纳米化学；⑶纳米材料学；⑷纳米生物学；⑸纳米电子学；⑹纳米加工学；⑺纳米力学。
纳米（nanometer）,是一个长度单位，简写nm。
1nm＝10－3μm＝10－6mm＝10－9m。
纳米科技所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接还原到分子、原子，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代——纳米科技时代。
以纳米新科技为中心的新科技革命将成为21 世纪的主导。
1．2 纳米材料的定义把组成相或晶粒结构控制在100纳米（nm）以下的长度尺寸的材料称为纳米材料。
也可以说纳米材料的平均粒径或结构畴尺寸在100nm以下。
可以预料，纳米材料的性质会与别于，而且往往优于那些由粗晶粒组成的传统材料。
在过去的几年中人们已经制备出来纳米结构材料。
从广义上来说合成纳米结构材料具有下列结构特点：⑴原子畴（晶粒或相）尺寸小于100nm；⑵很大比例的原子处于晶界环境：⑶各畴之间存在相互作用。
对于纳米结构材料的兴趣推动了各种纳米材料制备方法的研究和发展。
这些方法包括物理方法、化学方法和机械力学方法等等。
如今人们已经看到：借助于新创造的特殊工艺制备纳米相材料已经成为可能，使用这些方法可以控制尺寸和复杂的形态、相互作用和组织。
首先，在纳米尺寸状态中的原子簇有成千上万个原子，现在使用物理方法或化学方法来制备这些原子簇，再把其组装成材料，并使用各种传统方法来研究这些材料。
第二是纳米结构材料中相的组成是非常重要的。
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
2. 纳米微粒的物理特性
纳米微粒具有大的比表面积，表 面原子数、表面能和表面张力随粒径 的下降急剧增加，小尺寸效应，表面 效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道 效应等导致纳米微粒的热、磁、光、 敏感特性和表面稳定性等不同于常规 粒子，这就使得它具有广阔的应用前 景。
2.4 表面活性和敏感特性
纳米微粒具有高的表面活性。金属纳米微 粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选 择性呈特异行为。 例如，用Si作载体的Ni纳米微粒作催化剂 时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好， 使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应 中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙 醛氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副 反应受到抑制。
纳米材料的制备与应用课件
美国国家纳米计划2000年和2001 年的部门预算
2000 年预算 2001 年预算 增长率
国家科学基金会 0.97 亿$ 2.17 亿$ 124%
国防部
0.70 亿$ 1.10 亿$ 57%
能源部
0.58 亿$ 0.94 亿$ 66%
航天航空
0.05 亿$ 0.20 亿$ 300%
纳米材料的制备与应用课件
1990年4月IBM 公司的 科学家用35个 氙原子排列 成“IBM”字样, 开创了人类 操纵单个原子 的先河.
纳米材料的制备与应用课件
（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因 工程变得更加可控，人们可根据自己的 需要，制造出多种多样的生物“产品”。 （4）纳米微机械和机器人方面：可以利 用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红 血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓， 清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过 把多种功能纳米微型机器注入血管内， 进行人体全身检查和治疗。药物也可制 成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提 高医疗效果，减少副作用。
纳米技术
摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
2. 纳米技术的诞生与发展
CSTM——9000型扫描隧道显微镜
2. 纳米技术的诞生与发展
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10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，纳米碳管将是未来最佳纤维 的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米
4. 纳米材料及其特性
纳米材料（nano material） 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，
但它却是纳米技术发展的基础。纳米材料又称为超微颗粒材料，
由纳米粒子组成。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
此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，
打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
2. 纳米技术的诞生与发展
2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细
加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个
癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析 判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔
观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，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。
4. 纳米材料及其特性
1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺 度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）； 相当于人发直径的1/10万。 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。当
纳米技术
10 nanometers
1 nanometer
第4讲 纳米技术
本节要点
纳米及纳米材料
纳米技术的关键技术
纳米技术的应用
纳米（nano meter, nm）
是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之 一微米。大约是三、四个原子的宽度。
纳米科学（nano-science）
研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异 功能的科学。
◇探测和分析纳米区域的性质和现象
纳米技术的应用
目前，在纳米领域，美国、日本、德国的技术 处于领先地位。我国紧跟其后，处于第二阶梯的前 列。其中，纳米碳管技术处于世界一流水平，比如 大面积定向碳管的合成、超长纳米碳管的制备等。
用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图
信 息
1998年，美国首次研制出由磁性纳米棒组成的 “量子磁盘”，每平方英寸可储存20万部红楼梦。
纳米技术的科学意义
◆在宏观和微观的理论完善后，在介观尺度上有许多新现象、
新规律有待发现，充满了原始创新的机会。纳米技术是多学科 交叉融合，不能规为任何一门传统的学科领域，有可能取得创 新性的突破，是新技术发展的源头。 ◆人类认识领域新疆界的开拓。新理论、新发现建立的新观念 将给社会带来观念上的变革。 ◆为可持续发展理论提供物质与技术保证。 产品的微型化、 高性能化和与环境友好化将大大节约资源和能源，促进生态环
境的改变。
纳米技术的研究领域
纳米材料
纳米动力学
纳米生物学和纳米药物学
纳米电子学
纳米技术前景的展望
材料和制备 微电子和计算机技术 环境和能源 医学与健康
生物技术
航空航天
国家安全
材料和制备
在纳米尺度上通过精确控制尺寸和成分来合成材 料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有 长寿命和低维修费用的特点。
纳米科学的基本理论
宏观金属材料电子以能带的形式存在，《kBT。 服从费料在高温条件下，其能 带可以看作是连续的。
纳米颗粒电子能级是什么？
从原子分立能级到固体能带中的能级
？
从上图我们可以预测纳米材料的能级结构
1937年，Frohlich设想自由电子局域在边长为L的立 方体内。电子能级为：
• 当N(很多)个硅原子相互接近 形成固体时，随着原子间距 的减小，其最外层3P和3S能 级首先发生相互作用，导致 能级分裂，形成N个不同的能 级。这些能级汇集成带状结 构，即能带。 • 当原子间距进一步缩小时， 3S和3P能带失去其特性而合 并成一个能带（杂化）。
•当原子间距接近原子间的平衡距离时，该能带再次分裂 为两个能带。两个能带之间的没有可能的电子态的区域， 称为禁带。在禁带上方的能带叫导带，下方的能带叫价 带。
• 只要电子密度恒定，不论颗粒大小， EF不变。 • 态密度(density of state): 即单位能量的状态数 N(E), 对于能量低于E的状态数有
V 2m E N' 2 2 3
• 氢原子的能级图
电子能量
1 me En 2 2 2 n 8 0 h
半径距离 r
4
E4
E3
E2
电子势能
E1
+e 原子核
• 2 原子间的键合 • Molecular Orbital (MO) Theory. • 当原子相互靠近时，原子的电子波函数重叠形成 分子波函数，即分子轨道。 • 通常主要是指价电子云之间的重叠。 • 例如： • The H2+ ion, interactions (both attractive and repulsive) between the single electron and two nuclei.
纳米科学与技术-纳米科学的基本理论资料
5、表面效应的主要影响
纳米粒子的表面原子所处的位场环境 及结合能与内部原子有所不同。存在许多 悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质， 因而极易与其它原子结合而趋于稳定。所 以具有很高的化学活性。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成 为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低 熔点材料。
纳米粒子表面活性高的原因
第四章 纳米科学的基 本理论
纳米微粒的四大效应
（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而 急剧增大后引起的性质上的变化。 （2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电 子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称 为量子尺寸效应。 （3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或 透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件 将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会 导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。
6、表面效应的应用：
①催化剂，化学活性。Cu, Pd/Al2O3 ②吸附剂（储氢材料、碳纤维、碳管、合 金等载体）。 ③导致粒子球形化形状。 ④ 金属纳米粒子自燃。需钝化处理。
4.2 量子尺寸效应
由于尺寸减小，纳米颗粒的能级间距变 为分立能级，如果热能，电场能或磁场 能比平均的能级间距还小时，纳米颗粒 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的 反常特性，称之为量子尺寸效应。
• 图中所示的是单一立 方结构的晶粒的二维 平面图
• 假设颗粒为圆形，实 心团代表位于表面的 原子。空心圆代表内 部原子，颗粒尺寸为 3nm ， 原 子 间 距 为 约 0.3nm。
纳米粒子表面活性高的原因ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存 在缺少一个近邻的“ E” 原子，缺少两个近邻的 “B”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，“A” 这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B”位置上， 这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其 稳定化，这就是活性的原因。
纳米技术的基础知识
纳米技术的基础知识纳米技术概述纳米技术是一种以纳米尺度为特征的科学、技术和工程领域。
纳米技术涉及到处理和制造材料、设备和系统，其尺寸通常在1到100纳米之间。
在纳米尺度上，物质的性质和行为与宏观尺度上有着显著的不同，这使得纳米技术成为许多领域的研究热点和创新方向。
追溯纳米技术的起源，可以回溯到20世纪80年代。
然而，纳米技术的进一步发展和应用则是在1990年代末和21世纪初被广泛认识和关注的。
纳米技术的应用领域包括材料科学、生物医学、电子学、能源、化学和环境等，对于科学研究、技术革新和产业发展都具有重要意义。
纳米技术的基本原理是通过控制和操纵材料的结构和性质，实现对其性能和功能的改善和提升。
在纳米尺度下，物质的性质会发生显著的变化，例如导电性、光学性质、磁性等都会发生变化。
通过利用纳米技术，可以制备出具有特殊性能和功能的纳米材料、纳米器件和纳米结构，从而推动科学研究和工程应用的进步。
纳米材料与纳米结构纳米材料是指在纳米尺度下具有特殊性质和性能的材料。
纳米材料可以是纳米颗粒、纳米晶体、纳米管、纳米线、纳米薄膜等。
纳米材料的尺寸通常在1到100纳米之间，具有高比表面积、强化的力学性能、改变的光学和电磁性质等特点。
纳米材料广泛应用于材料科学、电子学、能源学、生物医学等领域。
纳米结构是指在纳米尺度下具有特殊结构和形态的材料。
纳米结构可以是纳米线阵列、纳米孔洞、纳米孪晶、纳米层状结构等。
纳米结构的形成受到物理、化学和生物因素的影响，具有与尺寸相似的特殊性质和应用潜力。
纳米结构在材料科学、化学和生物医学等领域显示出了独特的优势和应用前景。
纳米技术的制备方法纳米技术的制备方法包括自下而上和自上而下两种主要方法。
自下而上的制备方法是通过原子、分子或聚合物等基本单元的自组装或聚集，逐步构建出纳米材料和纳米结构。
自下而上的方法包括溶液法、气相法、凝胶法、磁控溅射等。
这些方法能够实现针对性地合成具有特定性质和功能的纳米材料和结构。
纳米科学与技术第一章
• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 业流程， 业流程 ， 要求对单一的原子或分子簇进行加工 处理， 这些材料通常只有1纳米到 纳米到100纳米大小 。 纳米大小。 处理 ， 这些材料通常只有 纳米到 纳米大小 • 在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价 值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通 过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同 纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新 的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司 美国卢克斯研究公司2005调查报告 调查报告: 调查报告
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 亿美元，各州又另外投入了4亿美元 亿美元。 亿美元，各州又另外投入了 亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场， 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 • 1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到 年各国政府对纳米技术的投入总计不到5 年各国政府对纳米技术的投入总计不到 亿美元， 年就增长到35亿美元 亿美元，到2003年就增长到 亿美元。 年就增长到 亿美元。 • (摘自：科技日报 2005-01-27) 摘自： 摘自
• 2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品： • 1、纳米啤酒瓶 纳米复合材料 、纳米啤酒瓶—纳米复合材料 • 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料 黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶， 黏土纳米材料 可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒 变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材 料用于食物包装是否安全 食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一 食物包装是否安全 样对人体无害。
纳米知识点与答案
第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是研究在千万分之一米10–7到十亿分之一米10–9米内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,又称为纳米技术;2、纳米材料的定义把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料;即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料; “功能”概念,即“量子尺寸效应”;3、纳米材料五个类维度0维材料,1维材料,2维材料,体相纳米材料,纳米孔材料4、0、1、2维材料定义、例子0维材料—尺寸为纳米级100 nm以下的颗粒状物质;富勒烯、胶体微粒、半导体量子点1维材料—线径为1—100 nm的纤维管;纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝2维材料—厚度为1 —100 nm的薄膜;薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜5、纳米材料与传统材料的主要差别尺寸：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上;比如说纳米尺度的颗粒,或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内;性能：第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等,使材料在物理和化学上表现出奇异现象;比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料;6、金属纳米粒子随粒径的减小,能级间隔增大7、与块体材料相比,半导体纳米团簇的带隙展宽,展宽量与颗粒尺寸成反比8、纳米材料的四大基本效应尺寸效应,介电限域效应,表界面效应,量子效应9、什么是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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道HOMO和最低未被占据分子轨道能级LUMO,能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应;10、什么是小尺寸效应当超细颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应;11、什么是表界面效应纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例;由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的化学活性,催化活性,吸附活性;表面效应是指纳米粒子表界面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化;12、什么是宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应;近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应;13、什么是库仑堵塞效应当体系的尺度进入到纳米级一般金属粒子为几个纳米,半导体粒子为几十纳米,体系电荷是“量子化”的,即充电和放电过程是不连续的,充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C,e 为一个电子的电荷,C为小体系的电容,体系越小,C越小,能量Ec越大;我们把这个能量称为库仑堵塞能;换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能,这就导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一个单电子的传输;通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应;14、纳米微粒熔点降低的原因与常规粉体材料相比,由于纳米微粒的颗粒小,其表面能高、比表面原子数多;这些表面原子近邻配位不全,活性大,以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多,这就使得纳米微粒的熔点急剧下降;15、烧结温度比常规粉体显著降低的原因所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形,然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块,密度接近常规材料的最低加热温度;纳米粒子尺寸小,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,有利于界面附近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没;因此,在较低温度下烧结就能达到致密化目的,即烧结温度降低;16、什么是宽频带强吸收大块金属具有不同颜色的金属光泽,表明它们对可见光范围各种颜色波长的光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,而吸收率相当高;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％;这种对可见光低反射率,强吸收率导致粒子变黑;17、纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因1 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布,不同颗粒的表面张力有差异,引起晶格畸变程度也不同;这就导致纳米材料键长有一个分布,造成带隙的分布,这是引起红外吸收宽化的原因之一;2 界面效应：界面原子的比例非常高,导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多;界面原子除与体相原子能级不同外,互相之间也可能不同,从而导致能级分布的展宽;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,在红外光作用下对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布;18、什么是纳米材料吸收光谱的蓝移与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象,即吸收带移向短波长方向;19、纳米材料吸收光谱蓝移的原因1 量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽,从而导致光吸收带移向短波方向;Ball 等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级HOMO与未被电子占据的分子轨道能级LUMO之间的宽度能隙随颗粒直径的减小而增大,从而导致蓝移现象;这种解释对半导体和绝缘体均适用;2 表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小;对纳米氧化物和氮化物的研究表明,第一近邻和第二近邻的距离变短,键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大,结果使红外吸收带移向高波数;20、什么是纳米材料吸收光谱的红移现象在一些情况下,当粒径减小至纳米级时,可以观察到光吸收带相对粗晶材料的“红移”现象,即吸收带移向长波长;21、金属纳米颗粒材料电阻增大原因纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大,当尺寸非常小时,这种贡献对总电阻占支配地位,导致总电阻趋向于饱和值,随温度的变化趋缓;当粒径低于临界尺寸时,量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视,最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大,即温度系数变负;22、纳米材料的超顺磁性及原因铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时,进入超顺磁状态;其原因是：在小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上,易磁化方向做无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现;此时磁化率不再服从居里－外斯定律;23、纳米材料的高矫顽力及原因纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时,通常呈现高的矫顽力;起源有两种模型：1 一致转动模型；2 球链反转磁化模型;前者的解释是：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的单磁畴临界尺寸为12nm,Fe3O4 为40nm;每个单磁畴的纳米粒子实际上成为一个永久磁铁,要使该磁铁去磁,必须使每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场,因此具有较高的矫顽力;该模型预测值通常偏高;球链模型认为,由于净磁作用球形纳米Ni粒子形成链状,以此作为理论推导的前提;24、“摔不碎的陶瓷碗”的原因"陶瓷材料在通常情况下呈脆性,由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性;因为纳米材料具有较大的界面,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延展性;25、纳米材料较高的化学活性和催化活性的原因由于纳米材料的比表面积很大,界面原子数很多,界面区域原子扩散系数高,而表面原子配位不饱和性将导致大量的悬键和不饱和键等,这些都使得纳米材料具有较高的化学活性,许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧;将纳米Er和纳米Cu 粒子在室温下进行压结就能够发生反应形成CuEr金属间化合物,而很多催化剂的催化效率随颗粒尺寸减小到纳米量级而显著提高,同时催化选择性也增强;第二章1、什么是光催化纳米半导体材料在光的照射下,通过把光能转化为化学能,促进化合物的合成或使化合物有机物、无机物降解的过程称为光催化;2、光照射纳米TiO2的反应可用反应式表示3、光生空穴在光催化剂表面发生的氧化还原反应：4、光生电子在光催化剂表面发生的氧化还原反应：5、纳米TiO2半导体粒子产生光催化作用而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性的原因与体相材料不同,纳米半导体材料可以利用太阳能进行光催化反应,例如：粒径为10nm 的TiO2半导体粒子,对于光催化有机物显示出高效率的量子效率,而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性1纳米半导体粒子的量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立能级,能隙变宽;纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力,从而产生了光催化性能;2计算表明,在粒径为1m的TiO2粒子中,电子从体内扩散到表面的时间约为100ns；而在粒径为10nm的微粒中扩散时间仅为10ps,粒径越小,电子与空穴的复合几率越小,电荷分离效果越好,光催化活性提高;6、纳米TiO2光触媒作用的应用有哪些纳米TiO2光触媒灭蚊器纳米二氧化钛具有催化性质,它可以降解汽车尾气7、纳米TiO2光催化降解氧化有机物的产物是什么降解为小分子,直至变成CO2和H2O8、提高TiO2光催化效率的途径纳米TiO2光催化剂被光辐射激发产生的电子－空穴对虽然具有很高的氧化能力,但在实际应用中存在一些缺陷：光生载流子h+,e-很易重新复合,例如在TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9s的时间内完成,影响了光催化的效率;因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生电子-空穴的分离效率,抑制电子空穴的重新结合;目前光催化剂的改性研究主要针对TiO2进行金属离子掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化、表面超强酸化等;9、纳米TiO2中掺杂过渡金属离子提高光催化活性的原因当在半导体中掺杂不同价态的过渡金属离子后,半导体的光催化性质被改变;从化学观点看,金属离子是电子的有效接受体,可捕获导带中的电子;由于金属离子对电子的争夺,减少了TiO2表面光生电子与空穴的复合,从而使TiO2表面产生了更多的·OH和O2-,提高了催化剂的光催化活性;10、在纳米TiO2光催化剂的表面沉积贵金属的两个作用是什么有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应质子的还原、溶解氧的还原的超电压;贵金属修饰TiO2通过改变体系中的电子分布,影响TiO2的表面性质,进而改善其光催化活性;11、详述CdS-TiO2复合体系提高光催化效率的过程可以加图示形式CdS的带隙能为, TiO2的带隙能为;当以足够的能量辐射时,CdS和TiO2同时发生电子激发,由于两者导带与价带的差异,光生电子将聚集在TiO2的导带上,而空穴则聚集在CdS的价带上,使得光生载流子得到有效的分离,提高了光催化性能;当激发能不足以激发光催化剂中的TiO2时,却能激发CdS,由于TiO2导带比CdS导带电位高,使得CdS上受激产生的电子更易迁移到TiO2的导带上,激发产生的空穴仍留在CdS的价带,这种电子从CdS向TiO2的迁移有利于电荷的分离,从而提高光催化的效率;分离的电子及空穴可以自由地与表面吸附质进行交换;12、列举气相法制备纳米TiO2粉体的五种方法,并写出反应式TiCl4气相氢火焰水解法TiCl4g＋2H2g ＋O2→TiO2s＋4HClgTiCl4气相氧化法TiCl4 g +O2 g →TiO2 s + Cl2 g钛醇盐气相分解法nTiOC4H9R4 g →nTiO2 s + 2nH2O g + 4nC4H8 g钛醇盐气相水解法TiOR4 g + 4H2O g →TiOH4 s +4ROH gTiOH4 s →TiO2 ·H2O s + H2O g TiO2 ·H2O s →TiO2 s + H2O g物理气相法13、列举液相法制备纳米TiO2粉体的五种方法水解法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热反应法、模板法14、叙述水解法制备纳米TiO2粉体的过程将TiCl4和钛醇盐溶液在一定条件下水解生成氢氧化物或水合氧化物沉淀,经加热分解后可得到TiO2纳米粒子;利用这种方法合成的纳米粉体,颗粒分布均匀,性能优异,纯度高,形状易控制;15、叙述溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体的过程以钛醇盐为原料,无水乙醇为有机溶剂,制得均匀溶胶,加入一定量的酸,起抑制水解的作用,再浓缩成透明凝胶,经干燥热处理即可得TiO2纳米粒子16、叙述溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜的过程般选取钛的有机盐如钛酯或无机盐如TiCl4作为原料,将其溶于低碳醇中,然后在室温下加入到中强酸度的水溶液中,搅拌下水解制备TiO2溶胶,然后采用浸渍－提拉或旋涂法在基体上制备TiO2薄膜;它具有制备温度低,工艺简单,不需要昂贵的设备,可制备多组分混合均匀的薄膜,并且得到的薄膜颗粒度均匀,纯度高;17、分析溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体和薄膜的区别18、列举制备纳米TiO2薄膜的五种方法溶胶－凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法、液相沉积法、电沉积法19、纳米TiO2制备技术要点和难点国际上纳米TiO2的价格为30～40万元/t,其成本大致是销售价格的2/5,原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；金红石型纳米TiO2的表面处理技术；纳米TiO2应用分散技术；纳米TiO2应用功能的提升技术：纳米TiO2产业化成套技术;第3章碳材料1、C60的结构C60属于碳簇Carbon Cluster分子, •由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体,直径,其60个顶角各有一个碳原子; •C60分子中碳原子与相邻的3个碳原子形成两个单键和一个双键;五边形的边为单键,键长为,而六边形所共有的边为双键,健长为;整个球状分子就是一个三维的大π键, 其反应活性相当高;C60分子对称性很高;每个顶点存在5次对称轴;2、C60的其它名字富勒烯,巴基球,C60 , 足球烯3、C60整个球状分子就是一个三维的大π键,其反应活性相当高4、C60的制备1、激光蒸发石墨法–1985年Kroto等发现C60就是采用激光轰击石墨表面,使石墨气化成碳原子碎片,在氦气中碳原子碎片在冷却过程中形成含富勒烯的混合物; 该方法产生的富勒烯含量极少; •2．苯燃烧法–1991年Howard等在含Ar的氧气中燃烧苯,燃烧1kg苯得到3gC60和C70混合物,富勒烯产率随燃烧条件不同而有所变化;3．电弧放电法–电弧是一种气体放电现象;通过两石墨电极之间的放电,可产生高于4000℃的高温,使阳极石墨蒸发,而阴极温度低于石墨蒸发温度;在充有氦气压力约为的放电室内,被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时,形成含有富勒烯的烟灰;5、C60和C70的溶解性芳香族类溶剂,例如苯、甲苯或者氯化芳香剂等能溶解少量的富勒烯;CS2也能溶解但不常用,因为剧毒p-p键相互作用有助于富勒烯的溶解富勒烯不溶于水富勒烯呈电负性,因此它在能提供配对电子的溶液中溶解性很好6、富勒烯是化学缺电还是富电性质化学缺电7、如何才能证明金属是内嵌,而不是在笼子的表面呢–气态下用C2单元撞击“内嵌”分子,看金属原子是否会离开表面形成单一的巴基球–用STM或者TEM直接观察–用同步辐射X射线散射法;该法不仅能够观察金属原子是在笼内还是笼外,还能观察金属原子在笼内的具体位置及价态; 实验证明金属原子不处于中心位置8、辨别富勒烯的化学反应主要由氢化反应、卤化反应、亲和加成反应、环加成反应、光化学反应和射线化学反应9、CNT分类,按照石墨烯片的层数,单壁碳纳米管Single-walled nanotubes, SWNT s：由一层石墨烯片组成;单壁管典型的直径和长度分别为～3nm和1～50μm;又称富勒管Fullerenes tubes;2 多壁碳纳米管Multi-walled nanotubes, MWNT s：含有多层石墨烯片;形状象个同轴电缆; 其层数从2～50不等,层间距为±, 与石墨层间距相当;多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和～50μm;10、碳纳米管的制备–电弧放电法–激光蒸发法–CVD法–高温分解C-H化合物法–电弧放电法11、分离CNT,常见的分离办法有1. 按长度分离;CNT的长度不一样,其密度也会不一样; 采用离心法可以分离不同长度的的CNT–按直径分离;采用某些方法,如光照法,可以将CNT 的直径分布限制在某个特定范围内1. 某些硝基盐,如NO2BF4 或者NO2SbF6,它只溶解金属性CNT;所以利用溶液法也可以分离但该办法只适合于直径小于的CNT2. 2003年,双向电泳法出现,它是一种能捕捉到80% 以上金属性CNT的方法12、CNT的化学性质辨别反应类型–CNT的基本反应–氧化还原反应–封闭式或者开放式CNT的官能化–侧壁的官能化–CNT与其他材料的合成–化合物的植入与内壁功能化–CNT的超分子化学13、CNT的应用前景用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧纳米管做成的“纳米秤”碳纳米管制造人造卫星的拖绳碳纳米管整流器场效应晶体管CNT的场发射碳纳米管电视碳纳米管cpu散热器超级电容器碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊愈CNT传感器-物理传感器CNT传感器-化学传感器DNA序列的识别•传输药物或者疫苗,基因手术混合催化储氢材料14、石墨烯结构石墨烯即为“单层石墨片”,是构成石墨的基本结构单元; 石墨烯是二维的,它具有包括六角元胞,如果有五角元胞和七角元胞则构成石墨烯的缺陷;少量的五角元胞会使石墨烯翘曲; — 12个五角元胞会形成富勒烯;碳纳米管被认为是卷成圆筒的石墨烯;碳纳米管是碳的一维晶体结构;石墨烯是构成其他维数碳质材料的基本单元;15、石墨烯特性最薄最轻载流子迁移率最高电阻率最低强度最大最坚硬导热率最高16、石墨烯制备1. 选取一块HOPGHighly Oriented Pyrolytic Graphite,高定向裂解石墨或者普通的石墨薄片2. 用Scotch tape普通的透明胶粘在样品上然后撕开3. 对于石墨薄片,用另外一个透明胶带多粘几次,即可得到石墨烯4. 注意,HOPG得到的一般是单原子层,而石墨片容易获得多原子层17、石墨烯的表面功能化步骤–首先与酸或者碱发生反应,使得表面接上COOH 或者OH–接着与SOCl2 反应形成COCl族–然后与脂族胺反应以接上长链18、功能化后的石墨烯可溶于水或者其他有机溶液19、石墨烯的应用复合材料：高力学性能高电学性能电子器件：室温霍尔效应无损迪拉克费米子极高电子迁移率高透光率储能材料：高表面积高电导率。
【课程大纲】《纳米技术》
《纳米技术》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）：纳米技术（英文）：Nanotechnology课程编号：14371073课程学分：2学分课程总学时：32学时课程性质：专业选修课二、课程内容简介（300字以内）《纳米技术》属于材料科学与工程专业的专业选修课，它研究了纳米材料的结构和性能及制备方法，纳米材料的应用以及纳米技术的新进展。
课程的任务在于通过本课程的学习，使学生对纳米材料这样一种新的材料具有一个比较广泛的了解：能掌握纳米材料的结构和优异性能，掌握纳米材料的制备与应用以及了解纳米结构的测试仪器和技术。
同时开拓科技视野，并通过相关资料查询、阅读、综合分析与讨论，对纳米材料与纳米技术领域内最新进展和成果有所了解。
三、教学目标与要求要求通过本课程的教学，使学生了解、熟悉和掌握如下知识：1．了解纳米材料与技术的基本概述；2．掌握纳米材料的结构和优异性能；3．掌握纳米材料制备；4．掌握纳米材料的应用；5．了解纳米测量技术与仪器；6．了解纳米科技应用的新结合点。
教学要求：开此课前学生应已学过大学物理、无机、有机及物理化学等基础课。
四、教学内容与学时安排第一章纳米科学与技术的基本概念（2学时）1. 教学目的与要求：了解纳米材料的发展史及重要性理解纳米科学与技术掌握纳米材料的定义2. 教学重点与难点：纳米科学与技术、纳米材料的定义第一节纳米科学与技术（0.5学时）第二节纳米科学技术的发展史（0.5学时）第三节纳米材料是纳米科技的重要组成部分（0.5学时）第四节纳米材料的定义（0.5学时）第二章纳米材料的结构和优异性能（9学时）1. 教学目的与要求：了解纳米材料的表面效应、结构相变及量子效应理解小尺寸效应及结构缺陷掌握纳米材料的结构2. 教学重点与难点：纳米材料的结构第一节纳米材料的结构（2学时）一、纳米金属粒子的结晶形态和尺寸分布（1学时）二、富勒烯家族（0.5学时）三、纳米粒子尺寸分布的测定（0.5学时）第二节纳米材料的结构相变（0.5学时）第三节表面效应（0.5学时）第四节纳米材料的结构缺陷（1学时）一、X射线衍射数据随晶粒尺寸、应变和缺陷量的改变（0.5学时）二、应用X射线衍射线形精炼方法和线形分析方法研究纳米Cu和Ag的缺陷（0.5学时）第五节小尺寸效应（2学时）一、特殊的力学性质（0.5学时）二、特殊的热学效应（0.5学时）三、特殊的光学效应（0.5学时）四、特殊的磁性（0.25学时）五、引人注目的化学性质（0.25学时）第六节纳米相块体材料（2学时）一、晶粒（0.75学时）二、原子缺陷和位错（0.25学时）三、微孔（0.25学时）四、晶界（0.25学时）五、稳定性（0.25学时）六、纳米固体材料的力学性能（0.25学时）第七节纳米非晶态材料和纳米晶材料（0.5学时）第八节量子效应（0.5学时）第三章纳米材料的制备（9学时）1. 教学目的与要求：了解纳米材料的一些制备方法，包括溅射法、热蒸发法、溶胶-凝胶法、球磨法等。
纳米科学与技术教学大纲
纳米科学与技术教学大纲一、引言纳米科学与技术作为当前高新技术领域中备受关注的学科之一，其研究和应用正日益受到重视。
因此，制定一份完善的纳米科学与技术教学大纲对于培养学生的创新意识、科学精神以及掌握前沿技术至关重要。
本教学大纲将围绕纳米科学与技术的基本概念、发展历程、实际应用等方面展开，力求全面系统地介绍相关知识，为学生提供扎实的学习基础。
二、课程设置1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的发展历程及重要里程碑- 纳米尺度的特殊性质和应用前景2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类及特点- 纳米结构的制备方法和表征技术- 纳米材料在材料科学和工程中的应用3. 纳米生物学与生物技术- 纳米生物学的基本概念和研究内容- 纳米技术在生物领域的应用和发展趋势- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米电子学和光学的基本原理- 纳米电子器件和光学器件的制备和性能- 纳米电子光学设备在信息技术中的应用5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业的发展现状和趋势- 纳米技术在材料、医药、能源等领域中的应用- 纳米技术的未来发展方向和挑战三、教学目标1. 了解纳米科学与技术的基本概念和发展历程，掌握其在不同领域的应用特点和前沿动态。
2. 掌握纳米材料和纳米结构的制备、表征和性能分析方法，具备相关实验技能。
3. 熟悉纳米生物学与生物技术的理论基础和实践应用，了解其在医学和生物工程中的重要性。
4. 理解纳米电子学与光学的基本原理和器件制备技术，掌握相关电子光学设备的使用和维护方法。
5. 了解纳米技术产业的发展现状和前景，认识纳米技术对经济和社会的影响及挑战。
四、教学内容1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的研究范围和意义- 纳米科学与技术的国际发展状况2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类和制备方法- 纳米结构的特殊性质和应用领域- 纳米材料在材料科学和工程中的应用案例3. 纳米生物学与生物技术- 纳米尺度下生物学规律的变化- 纳米技术在医学影像和药物传递中的应用- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米半导体器件的特性和应用- 纳米光学结构的调控和性能- 纳米光电子器件在信息技术中的应用案例5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业链和价值链的分析- 纳米技术在材料、医药、能源等产业中的应用- 纳米技术在环境保护和节能减排中的潜力五、教学方法1. 理论讲授：通过课堂讲解、案例分析等形式，深入讲解纳米科学与技术的基本理论和实践应用。
第61讲纳米技术
“纳米经济”“钱”途广——纳米科技对经济发展的影 响
全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计 ，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科 技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元， 并提供200万个就业机会。
科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革 命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的 产生和发展，一场新的工业革命即将发生。
纳米绘画艺术—— 纳米中国
3.1 纳米技术对竞争力的提升
能源领域：石油、煤等不可再生资源。 环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问
题。 微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。 信息领域：光纤、发光器件。
3.2 纳米技术对竞争力的提升
功能性涂料、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、 紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷 涂层。
放在指尖上的400支 排整齐的无痛型微型针
目前，基因芯片研究已经进入实验室， 生物芯片组装就是用纳米技术，而生物 酶也是纳米尺度，这些研究对象是纳米 生物学研究内涵之一，下一步生物技术 的发展，就要和纳米技术相结合。譬如 为什么病毒顽固，现在没有一种药物能 治疗，就因为它非常小，用纳米结构组 装一种寻找病毒的药物后，艾滋病、病 毒性感冒等都可以治疗，2003年以后这 已经成为又一个研究热点。
纳米感觉
任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大 的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉 一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气， 就能马上燃烧起来，生成氧化铁。
1.2 纳米材料的基本效应
小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性 的变化。
量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。 界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构
纳米技术知识点
纳米技术知识点纳米技术是一门跨学科的领域，涵盖了物理学、化学、材料科学、生物学等多个学科领域。
它研究和应用的对象是纳米尺度的物质，尺度在纳米级别（10的负9次方米）。
一、纳米尺度的定义纳米尺度是指物质的尺寸在1到100纳米之间。
在纳米尺度下，物质的特性会发生显著变化，具有许多与宏观物质不同的特征和性质。
二、纳米技术的应用领域1. 医学领域：纳米技术在药物传输、疾病诊断和治疗等方面具有广泛的应用。
纳米粒子可以通过改变其表面性质，实现药物的靶向输送，提高治疗效果。
此外，纳米技术还可以用于制备新型的生物传感器和生物成像技术，提高疾病的诊断精确度。
2. 材料科学领域：纳米技术在材料制备方面有着重要的应用。
通过纳米材料的合成和组装技术，可以制备出具有特殊结构和性能的材料，如纳米传感器和纳米存储器等。
此外，纳米技术还可以改变材料的力学、电学、光学等性质，提高材料的性能。
3. 能源领域：纳米技术在能源转换和储存领域具有广泛应用。
通过纳米材料的设计和制备，可以提高太阳能电池的效率和储能设备的性能。
此外，纳米材料还可以用于制备新型的燃料电池和催化剂，提高能源利用效率。
4. 环境领域：纳米技术在环境治理和监测方面有着重要的应用。
纳米吸附材料可以用于污染物的吸附和去除，纳米传感器可以实现对环境污染物的快速监测。
此外，纳米技术还可以用于水处理和空气净化等方面，提高环境保护的效果。
三、纳米技术的挑战和展望虽然纳米技术在各个领域都有广泛的应用，但也面临着一些挑战。
首先，纳米材料的制备和表征技术仍然不够成熟。
其次，纳米材料的毒性和环境影响问题亟待解决。
此外，纳米技术在产业化和商业化方面还存在一定的困难。
展望未来，纳米技术将继续发展，并得到更广泛的应用。
随着纳米材料的制备和表征技术的不断突破，纳米技术的应用领域将继续扩大。
同时，人们对纳米技术的安全性和环境影响也将给予更多的关注和研究。
结论纳米技术是当前科学技术领域的热点之一，具有广泛的应用前景和经济效益。
纳米科学技术简介
• 纳米刻蚀： • 目前微电子技术中最细刻度为几分之一微米， 即激光光列。 • 如果把搬迁原子的位臵按照电路的方式搬迁， 便可以用STM进行纳米级的刻蚀。我国已能用 STM刻出10 nm的细线。 • 一是可制备高密度的存储器。 • 日本NEC公司研制出高密度记录技术，在一张 邮票大小的衬底上可以记录下400万页报纸的 内容。 • 二是可用分子束外延技术制造出三维纳米量子 器件。
§1.1 基本概念和内涵
• （2） 纳米材料与传统材料的主要差别： • 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数 量级上。 • 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度 在纳米尺度范围内。尺寸 • 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 • 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能
§1.1 基本概念和内涵
• 5. 纳米尺度的检测和表征
• 纳米尺度的检测与表征：在纳米尺度上研究材 料和器件的结构及性能。 • 包括： • 在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、 磁、热、光学等特性。 • 纳米空间的化学反应过程、物理传输过程。 • 研究原子分子的排列组装与奇异物性的关系。
• 久保理论 • 1961年，久保(Kubo) 针对金属超微粒子的研究 提出了久保理论---超微粒子的量子限域理论。 • 随着粒子中原子数的减少，Fermi能级附近的 电子能级由连续状态分裂为分立状态，能级的 平均间距与粒子中的电子数成反比，在能级间 距大于热能、磁能、静电能、光子能量以及超 导态的凝聚能时，就会产生与宏观物体不同的 所谓量子效应(Quantum Effect)。 • 被科学界称做Kubo效应。
§1.1 基本概念和内涵
• （3）目前该领域的主要研究内容： • A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 • 液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、 化学镀法。 • 气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微 弧氧化法。
纳米
33
被囚禁的电子和未来的电子学器件
把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非 常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事 情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动或能量被量子化了。 原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了,被 囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，会使材料发出强的光。用来 读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者，如果用“囚禁” 原子的小颗粒量子点来存贮数据，制成量子磁盘，存贮度可提高成 千上万倍。会给信息存贮的技术带来一场革命。
奇妙的物质世界新大陆 —纳米科学与技术
1
解读纳米
2
纳米科技前奏
“未来科学的发 展将是继续向宏 观世界和微观世 界挺进”！ ——爱因斯坦
3
神奇的纳米
物质是由原子构成的，其性质依赖于这些 原子的排列形式。如果我们将煤炭中的原 子重新排列，就能得到钻石；如果向沙子 中加入一些微量元素，并将其原子重新排 列，就能制成电脑芯片；而土壤、水和空 气的原子重新排列后就能生产出马铃薯。 听起来是不是有点玄？不过这决非天方夜 谭，如果你能走进纳米世界，了解纳米技 术，就会知道上述目标的实现指日可待。
纳米成果
纳米轴承
仿甲虫外形制造的微型机器人
微型机器人
纳米成果
•
描述的是一个纳米机器人 在清理血管中的有害堆积 物。由于纳米机器人可以 小到在人的血管中自由的 游动，对于象脑血栓、动 脉硬化等病灶，它们可以 非常容易的予以清理，而 不用再进行危险的开颅、 开胸手术。
钠米存储器
是由碳纳米管制作的纳米齿轮模型。 纳米齿轮上的原子清晰可见。最异想 天开的用途莫过于将碳纳米管做成太 空升降机的缆绳。由于碳纳米管的强 度高、重量轻，如果把它做成缆绳， 即使缆绳的长度是从太空下垂到地面 的距离，它也完全可以经得住自身的 重量。到那个时候，人类到外太空旅 行将是一件轻而易举的事情
纳米技术
纳米技术发展史自动化（2）班0905075007 蔡长永摘要：纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。
纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。
[1]关键字：发展纳米技术纳米材料21世纪一．纳米技术基本概念纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。
纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。
[2]在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。
纳米技术包含下列四个主要方面：1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。
这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。
如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。
第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。
磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。
80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
[3]2、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统,用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近
年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的 磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，
故称为宏观量子隧道效应。
4.1 表面效应
10纳米 1纳米 0.1纳米
随着尺寸的减小，表面积迅速增大
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总 原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅 度的增加，粒子的表面能及表面张力也 随着增加，从而引起纳米粒子物理、化 学性质的变化。
3、表面能的增加
颗粒细化时，表面积增大，需要对其 做功，所做的功部分转化为表面能储存在 体系中。因此，颗粒细化时，体系的表面 能增加了。
由于大量的原子存在于晶界和局部的 原子结构不同于体相材料，必将使纳米材 料的自由能增加，使纳米材料处于不稳定 的状态，如晶粒容易长大，同时使材料的 宏观性能发生变化。
6、表面效应的应用：
①催化剂，化学活性。Cu, Pd/Al2O3 ②吸附剂（储氢材料、碳纤维、碳管、合 金等载体）。 ③导致粒子球形化形状。 ④ 金属纳米粒子自燃。需钝化处理。
4.2 量子尺寸效应
由于尺寸减小，纳米颗粒的能级间距变 为分立能级，如果热能，电场能或磁场 能比平均的能级间距还小时，纳米颗粒 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的 反常特性，称之为量子尺寸效应。
总表面 积
6 cm2 6×105cm2 6×106cm2 6×107cm2
例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m2/g， 粒径为5 nm时，比表面积为180 m2/g， 粒径下降到2 nm时，比表面积猛增到450 m2/g
2、表面原子数的增加
表给出了不同尺寸的 紧密堆积由六边形或 立方形紧密堆积的原 子组成的全壳型团簇 中表面原子所占的比 例。 全壳型团簇是由一个 中心原子和绕其紧密 堆积的1、2、3、….. 层外壳构成。
1、 基本概念
量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为 量子化。 费米能级：金属内的电子因苞利不相容原理不能每一个电子 都在最低的能级，便一个一个依序往高能级填直到 最后一个填进的那个能级便是费米能级。 价带的最高能量状态叫费米能级。 电子的占据率为1/2的能量。 态密度： 固体物理中的重要概念，单位体积单位能量的状态 数 N(E)。N-E关系反映出固体中电子能态的结构， 固体中的性质如电子比热，顺磁磁化率等与之关系 密切。在技术上，可利用X射线发射光谱方法测定 态密度对自由电子而言， N(E)=4πVEl/2(2m)3/2/h3 ， 式中V为晶体体积，h为普朗克常数，m为电子质量。
• 图中所示的是单一立 方结构的晶粒的二维 平面图
• 假设颗粒为圆形，实 心团代表位于表面的 原子。空心圆代表内 部原子，颗粒尺寸为 3nm ， 原 子 间 距 为 约 0.3nm。
纳米粒子表面活性高的原因
很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存 在缺少一个近邻的“ E” 原子，缺少两个近邻的 “B”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，“A” 这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B”位臵上， 这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其 稳定化，这就是活性的原因。
1、比表面积的增加
把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体， 总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
立方体数
1 1015 1018 1021
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
第四章 纳米科学的基 本理论
纳米微粒的四大效应
（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而 急剧增大后引起的性质上的变化。 （2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电 子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称 为量子尺寸效应。 （3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或 透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件 将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会 导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。
2、表面原子数的增加
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
2、 表面原子数的增加
由于纳米晶体材料中含有大量的晶界， 因而晶界上的原子占有相当高的比例。 例如对于直径为 5 nm 的晶粒，大约有 50% 的原子处于晶粒最表面的为晶界或 相界。 对于直径为 10nm的晶粒大约有 25%的原 子位于晶界； 直径为50 nm的球形粒子的表面原子比例 仅占总原子数的6%。
5、表面效应的主要影响
纳米粒子的表面原子所处的位场环境 及结合能与内部原子有所不同。存在许多 悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质， 因而极易与其它原子结合而趋于稳定。所 以具有很高的化学活性。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成 为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低 熔点材料。
纳米粒子表面活性高的原因
4、纳米颗粒表面与体相表面的区别
若用高分辨电子显微镜对金超微颗粒 ( 直 径为 2 nm)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， 二十面体多孪晶等），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 微粒具有稳定的结构状态。
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面 原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自 旋构像和电子能谱的变化。
5、表（界）面效应的主要影响
（1）表面化学反应活性(可参与反应)。 （2）催化活性。 （3）纳米材料的（不）稳定性。 （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（界面极化）。 （10）吸收光谱的红移现象。