纳米材料导论
纳米材料导论复习题
《纳米材料导论》复习题2013.12第一章1、纳米材料有哪些危害性？答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。
纳米技术对环境的危害性：美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性。
2、什么是纳米材料、纳米结构？答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间，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。
纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。
纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。
3、什么是纳米科技？答：纳米科技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、分子进行操纵和加工的技术。
4、什么是纳米技术的科学意义？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。
纳米材料导论纳米材料的基本概念与性质课件
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.1 纳米材料的基本概念
从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、 纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体 材料的总称。
从特性内涵分析：纳米材料能够体现尺寸效应 (小尺寸效应)和量子尺寸效应。
南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇 物理和纳米科学研究组
国家自然科学基金重大项目： “原子团簇的物理和化学”、 “团簇组装纳米结构的量子性质”
杨 团先 簇生 物和 理冯 研先 究生 室访
问 纳米材料导论纳米材料的基本概念
与性质课件
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原 子团簇、多元原子团簇和原子簇化合 一元物原．子团簇包括金属团簇(加Nan，Nin等)和非 金属团簇．非金属团簇可分为碳簇(如C60,C70 等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)．
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.1.5 纳米复合材料
❖ 0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米固体;
❖ 0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
❖ 0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布； 非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。
与性质课件
纳米丝
以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝
用微米级SiO2、Si和混合 粉末为原料，用碳纳米管 覆盖其上作为模板，以氮 气为反应气合成了一维氮 化硅纳米线体。测量了不 同温度下合成纳米氮化硅 的型貌和结构，
氮化硅纳米丝
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.2 纳米微粒的基本性质
纳米材料导论
1、纳米粒子表面原子的排列，其活性高的原因是什么？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．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活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。
例如：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。
如图，近邻配位的“A“原子，像“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，这就是活性高的原因。
2、冷冻干燥法冷冻干燥法为溶剂挥发分解法的一种冷冻干燥法的基本原理是：先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，就可以得到相应物质的纳米粒子。
如果从水溶液出发制备纳米粒子，冻结后将冰升华除去，直接可获得纳米粒子。
如果从熔融盐出发，冻结后需要进行热分解，最后得到相应纳米粒子。
主要特点是：（i）生产批量大，适用于大型工厂制造超微粒子（ⅱ）设备简单、成本低；（ⅲ）粒子成分均匀冻结干燥法分冻结、干燥、焙烧三个过程3、纳米颗粒的分散和团聚的解决方法为了解决这一问题，无论是用物理方法还是用化学方法制备纳米粒子经常采用分散在溶液中进行收集．即使在这种情况下，由于小微粒之间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生．如果团聚一旦发生，通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体打碎。
为了防止小颗粒的团聚可采用下面几种措施：(1) 加入反絮凝剂形成双电层(2) 加表(界)面活性剂包裹微粒4、纳米材料性能的解释①超顺磁性超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸(如Fe3O4<30nm)后,在有外加磁场存在时，表现出较强的磁性。
但当外磁场撤消时,无剩磁,不再表现出磁性❖超顺磁状态的原因：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟的时候，磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
不同种类的纳米磁性微粒呈现超顺磁的临界尺寸是不相同的。
纳米材料导论
电弧放电装置示意图。在不锈钢制的真空室内，使用直径6mm 的石 墨碳棒为阴极与直径9mm 的碳棒当阳极，两极的间距可调整。
研究指出，本制程中影响碳管质量最重要的因素为氦气的 压力。1992 年Ebbesen等人(13) 发现500 torr 的氦气压力会 比20 torr 时有更高的纳米碳管产率，而过高的电流会使碳管烧
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化学方法
6.电化学法 电化学法(Electrochemical):电化学法包括水溶液和熔融盐
系统，此法可制得一般方法不能制备或很难制备的高纯金属或 合金微粒。
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分类 真空冷凝法 物理方法 物理粉碎法 机械球磨法 气相沉积法 沉淀法 化学方法 水热合成法
溶胶凝胶法
--
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶 而固化，再经低温热处理而 生成纳米粒子。
反应物种多，产物颗粒均一，
过程易控制，适于氧化 物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的
--
制备。
两种互不相溶的溶剂在表面活性 剂的作用下形成乳液，在微 泡中经成核、聚结、团聚、 热处理后得纳米粒子。
粒子的单分散和界面性好， Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒 子多用此法制备。
的Ar、He 等惰性气体电离而起弧，再调节反应室中的载送气体流量， 可决定蒸气压并导引其至冷却收集器上形成纳米粒子。表1 是常用 的参数。图5 为电浆喷柱法设备简图，图6 则为工研院材料所 利用此原理制造的TiO2 纳米粉体
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气相法
物理气相沉积法---电弧放电法(Arc discharge) 电弧放电法系利用电弧放电所产生的高温(约4000 K)，将原
纳米材料导论
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单质碳纳米材料的分类
富勒烯，或巴基球（C50 、 C60 、C70、C76、 C80、C82、C84、C90、C94等）
• 原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
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石墨及其结构
o石墨的结构早在1917年就已经被 Debye, Scherrer, Grimm, Otto, 和Bernal等 人标定证明了。
o石墨的基本组成单元为石墨烯
（graphene）
o在石墨烯中，每个碳原子都占据 一个六边形的顶角。由于sp2 杂化，
万吨，现保有储量万吨。
世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和Ceylon，我 国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。
人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。
❖ 等静压石墨。
❖ 模压石墨
❖ 挤压石墨，多为电极材料。
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石墨的物理性质
1) 耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，石墨强度随温度提高而 加强。热膨胀系数也很小。
碳纳米管（单壁，多壁）
洋葱碳及其相关结构
纳米金刚石
金刚石薄膜
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碳的同素异性体
碳的同素异形体“相”图
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碳纳米材料的结构和化学键
存在各种形态的原因——化学
键
• 碳原子的核外电子层结构: 1s22s22p2 • 可能的三种杂化形式：sp、sp2和sp3（spn杂化） • 以共价键方式结合：单键, 双键和叁键
(完整)纳米材料导论期末复习重点
名词解释：1、纳米：纳米是长度单位，10-9米,10埃。
2、纳米材料:指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。
3、原子团簇:由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体（原子团簇尺寸一般小于20nm）。
4、纳米技术:指在纳米尺寸范围内，通过操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。
5、布朗运动：悬浮微粒不停地做无规则运动的现象.6、均匀沉淀法：利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来，再与沉淀组分发生反应.7、纳米薄膜材料：指由尺寸在纳米量级的颗粒构成的薄膜材料或纳米晶粒镶嵌与某种薄膜中构成的复合膜且每层厚度都在纳米量级的单层或多层膜。
8、真空蒸镀：指在高真空中用加热蒸发的方法是源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。
9、超塑性：超塑性是指在一定应力下伸长率≥100％的塑性变形。
10、弹性形变：指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变,当外力撤消后,固体又恢复原状。
11、塑性形变:指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体不会恢复原状。
HAII—Petch公式：σ－－强度； H－－硬度;d－－晶粒尺寸；K－－常数纳米复合材料：指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。
14、蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
15、热塑性：物质在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定形状的性质。
大题:纳米粒子的基本特性？（1）小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会造成颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸的变小，所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。
(2）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加,粒子的表面能和表面张力也随着增加，物理化学性质发生变化。
（粒度减小,比表面积增大;粒度减小，表面原子所占比例增大；表面原子比内部原子具有更高的比表面能;表面原子比内部原子具有更高的活性)(3）量子尺寸效应:当金属粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的能级由准连续变为离散能级或能隙变宽的现象。
纳米功能材料研究导论
纳米功能材料研究导论纳米功能材料研究导论纳米功能材料是当今最具发展潜力与应用前景的领域之一。
随着纳米技术的迅速发展，我们对材料的研究和应用进入了一个崭新的时代。
纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，这使得它们在许多领域中都具有广泛的应用前景，如能源、环境、医药和电子等。
首先，纳米材料具有巨大的比表面积。
由于纳米材料的颗粒尺寸非常小，因此其比表面积相对较大。
这使得纳米材料在催化、吸附和传感等方面具有优越的性能。
例如，纳米金属颗粒可以作为高效的催化剂，用于催化反应的加速和选择性控制。
此外，纳米材料的巨大比表面积还可以提高电池和储能材料的能量密度和功率密度，从而推动可再生能源的发展。
其次，纳米材料具有尺寸效应。
当材料的尺寸减小到纳米级别时，其物理和化学性质可能会发生显著变化。
这是由于纳米材料的电子结构和表面能的改变所导致的。
例如，纳米颗粒的光学性质会随着颗粒尺寸的变化而改变，这使得纳米颗粒在太阳能电池、光催化和光电子器件中有着广泛的应用。
此外，纳米材料的电学、磁学和热学性质也会因尺寸效应而改变，这为微电子学和纳米电子学提供了新的研究和应用方向。
再次，纳米材料具有高度可控性。
纳米材料的合成和制备具有高度的可控性，可以通过调节合成条件和工艺参数来精确地控制其形貌、结构和性能。
通过改变合成方法和条件，可以制备出不同形状、大小和组分的纳米材料，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜和纳米多孔材料等。
这种可控性使得纳米材料在光电子学、生物医学和传感器等领域中具有广泛的应用。
最后，纳米材料具有良好的可再生性和环境友好性。
纳米材料的制备通常不需要大量的原材料和能源，且产生的废弃物较少。
此外，纳米材料的使用也能够提高能源和资源的利用效率，减少对环境的污染和破坏。
因此，纳米材料被广泛应用于环境修复、废水处理和垃圾处理等领域。
总的来说，纳米功能材料研究是材料科学和工程领域中的一个重要方向。
纳米材料具有巨大的比表面积、尺寸效应、高度可控性和良好的可再生性和环境友好性等特点。
纳米材料导论
常见种类
包括纳米颗粒、纳米团簇 等。
应用领域
在催化、能源、医药等领 域有广泛应用。
一维纳米材料
定义
一维纳米材料是指只有一 个维度在纳米尺度范围内 的材料。
常见种类
包括纳米线、纳米棒、纳 米管等。
应用领域
在电子器件、传感米材料是指只有两个维度在纳 米尺度范围内的材料。
04 纳米材料性能表征
电子显微镜
高分辨率
电子显微镜能够提供高分辨率的 图像，观察纳米材料的表面形貌
和微观结构。
透射与扫描模式
透射模式用于观察薄膜或薄片样品， 而扫描模式则用于观察表面形貌和 微观结构。
样品制备要求
样品需要经过镀金或碳处理，以导 电并减少电子散射。
X射线衍射
晶体结构分析
X射线衍射是分析纳米材料晶体结构的有效方法，通过测量衍射角 度和强度，可以确定晶格常数、晶面间距等参数。
环境控制
可在不同环境（如真空、气体或液体）下进行观察，适用于多种 材料和环境。
拉曼光谱
分子振动分析
拉曼光谱能够分析纳米材料中分子的振动模式，揭示材料的化学结 构和分子振动。
散射原理
拉曼散射是光的非弹性散射过程，通过测量散射光的频率和强度， 可以获得分子振动信息。
应用范围
拉曼光谱在纳米材料研究领域广泛应用于分析材料的化学结构和分子 振动信息。
常见种类
应用领域
在电子器件、光电器件、生物传感器 等领域有广泛应用。
包括石墨烯、过渡金属硫族化合物等。
三维纳米材料
定义
01
三维纳米材料是指所有三个维度均在纳米尺度范围内的材料。
常见种类
02
包括纳米海绵、纳米网等。
应用领域
纳米材料导论
四.宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一， 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子 仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观 量，例如的量子隧道效 应。
应用 早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保 持超顺磁性。近年来人们发现Fe－Ni薄膜中畴 壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温 度无关。于是，有人提出量子理想的零点震动 可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零 温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限 的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的磁 化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研 究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、 磁盘进行信息贮存的时间极限。
根据金属能带单电子近似理论，对于三维 情况，若将电子看成是完全自由的，则能带密 度N(E)正比于体积V。一般情况下由于体积V 很大，能带密度N(E)很高，故可以认为能级是 准连续的。但是，对于纳米粒子，粒径很小， 所以能带密度小，能级不能看成是准连续。同 时，能带理论的出发点是共有化电子，即该电 子为导带电子，所以说是费米能级附近的电子 能级发生分裂。
原子中的电子状态和原子核中的核子状态， 具有幻数特征 （即壳层结构） 。它是与对 称 性和相互作用势密切相关的。由原子构成的团 簇具有类似的特征， 在质谱分析中，含有某些 特殊原子数目的团簇，其强度呈现峰值，表明 这些团簇特别稳定，所含的原子数目称之为 “幻数” 。团簇的幻数序列与构成团簇的原子 键合方式有关。一般地说， 金属键来源 于自 由价电子， 半导体有取向共价键， 碱金属卤 化物为离子键， 而惰性元素原子间的结合 是 范德瓦尔斯键。 团簇的形成通常经历了冷却过 程， 因而其结构会出现某些有序化的特征。
三.量子尺寸效应
量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到某 一数值时，费米能级附近的电子能级由准连 续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能 级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变 化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电 及超导特性与常规材料有显著的不同。
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始走向现实.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，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同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，人类对宏观物质结构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，以及原子内部的原子核和电子，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，时间上达到纳秒、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，人类的认识还相当肤浅，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。
中国古代的铜镜表面防锈层是由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，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。
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范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行研究。
纳米材料导论论文概要
纳米材料在生命科学中的应用研究进展摘要纳米材料自发现以来，以其独特的结构，奇特的物理、化学和力学性质以及潜在的应用前景而倍受人们的关注.在过去几年中，生物纳米材料的理论与实验研究已成为人们关注的焦点，特别是核酸与蛋白质的生化、生物物理、生物力学、热力学与电磁学特征及其智能复合材料已成为生命科学与材料科学的交叉前沿。
目前，纳米生物芯片材料、仿生材料、纳米马达、纳米复合材料、界面生物材料、纳米传感器与药物传递系统等方面已取得很大进展。
本文主要对这些材料的特性研究、开发及应用情况进行了综述，简要概述了纳米材料在生命科学方面的主要应用，并探讨了生物纳米材料的发展前景。
关键词纳米材料，特性，生物化学，生物物理，生物电磁学，分子马达，纳米技术前言纳米材料在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过渡区域, 是由数目很少的原子或分子组成的原子或分子的聚集体。
核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。
这些成分相互作用编织了一个复杂的、完美的生物世界。
生物纳米材料研究，不仅涉及基因与蛋白质的结构与功能，包括它们的识别、结合、相变、特殊因子的释放、生物电化学信号的产生与传导、生物力学与热力学特性，而且还涉及新技术工具的发展。
生物纳米材料可分为4类：(1)天然纳米材料；(2)譬物仿生与人工合成的纳米材料；(3)智能纳米复合材料；(4)合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。
尽管很多根本问题仍然不清楚，但是带有生物与纳米特征的新材料研究与开发已取得很大进展。
1纳米材料简介纳米材料是指结晶粒度或多层膜的调制波长为纳米级(nm) 的多晶材料。
它自本世纪80年代中期以来, 研究开发日新月异。
纳米材料在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过渡区域, 是由数目很少的原子或分子组成的原子或分子的聚集体。
粒子具有壳层结构, 其表面层原子占很大的比例并且是无序的类气体状, 在粒子内部存在有序-无序结构。
与晶体体相基层的完全长程有序结构不同, 纳米粒子的结构的特殊性使它们具有与传统固体材料不同的许多特殊性质, 成为材料科学领域中跨世纪的材料科学研究的热门课题。
纳米材料导论微乳液法
温度低 温度高
反应可能不会发生 产物可能聚集，使粒径变大
反应时间
直接影响产物的形貌
其它因素： pH值，还原剂和 沉淀剂的性质等
6 微乳液法的特点
粒径分布较窄，易控制,可以较易获得粒径均匀的纳米微粒． 通过选择不同的表面活性剂分子对粒子表面进行修饰，可获得所需特
殊物理、化学性质的纳米材料 粒子表面包覆表面活性剂分子，不易聚结，稳定性好 纳米粒子表面的表面活性剂层类似于一个“活性膜”，该层可以被相
组成： ➢ 水溶液 CH2 COOCH2CH(C2H5)C4H9 ➢ 有机溶剂：C6-C8直链烃或环烷烃 ➢ 表面活性剂：阴离子(AOT)，阳离子(CTAB十六烷基
三甲基溴化铵 ) 非离子(Triton X（聚氧乙烯醚类） )
作用：(1) 增加表面活性，降低油水界面张力
(2) 阻止液滴聚集，提高稳定性增加柔性，减少微
Transmission electron micrograph and size distributionof nickel nanoparticles. [NiCl2]= 0.05 M; [N2H5OH]=1.0 M; water/CTAB/n-hexanol= 22/33/45; 73 °C
Synthesis of Ni–Co needle-like alloys
结论
实验装置简单，操作方便，应用领域广； 可有效的控制微粒的粒度和形貌； 可制备均匀的双金属和混合金属氧化物材料。
单次制备的催化剂数量有限；溶剂的回收和 循环使用对商业应用来说仍是一个挑战。
乳液法概述
乳液法：利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作 用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相，这样 可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小 的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，又避免了颗粒 之间进一步团聚。
《纳米材料导论》课件
纳米技术的广泛应用可能涉及隐私、 安全和伦理等问题，需要加强伦理规 范和监管。
05 结论
研究成果总结
纳米材料特性
详细介绍了纳米材料的 尺寸、表面效应、量子 效应和介电限域效应等 基本特性，以及它们在 物理、化学和生物领域
的应用。
制备方法
总结了纳米材料的各种 制备方法，如物理法、 化学法、生物法等，并 讨论了各种方法的优缺
《纳米材料导论》ppt课件
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目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料的应用 • 纳米材料的发展前景 • 结论
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
纳米尺度通常对应于物质中原子 或分子的集合行为发生显著变化 的尺度，因此纳米材料具有许多 独特的物理、化学和机械性能。
点和适用范围。
应用领域
概述了纳米材料在能源 、环境、医疗、信息等 领域的应用，并给出了
具体实例和效果。
对未来研究的展望
新制备技术
预测未来将出现更多高效、环保 的纳米材料制备技术，以满足不
断增长的应用需求。
跨学科应用
鼓励跨学科合作，将纳米材料应 用于更多领域，如生物医学、农
业、航天等。
绿色纳米技术
强调发展绿色、可持续的纳米技 术，以降低生产过程中的环境污
染和资源消耗。
伦理与法规
呼吁加强对纳米技术的伦理和法 规研究，以确保其在应用过程中
的安全性和合法性。
溶胶-凝胶法
通过溶液中的化学反应，使原材料转化为凝胶态，再经过干燥和热处理得到纳米材料。该方法操 作简便，成本较低，但制备周期较长。
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.
《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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3．电弧放电法
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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13.3kPa）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。
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4．C60的分离与提纯
C60可以在许多有机溶剂中溶解，如甲苯、苯、乙烷、 二硫化碳等，其中在甲苯、苯、及二硫化碳中的溶解 度较大。 将含有C60/C70的黑色烟灰溶于苯，溶液由于浓度差异 呈不同程度的红色。将红色溶液与黑色烟灰分离，经 加热干燥后得到黑色或暗棕色的结晶固体。 C60/C70晶体形貌呈现棒状、片状或星形片状，大 多数为规则的多边形，如四边形、五边形和六边形晶 体。在光学显微镜下，C60/C70的薄片结晶体呈棕黄色。 根据结晶条件，C60单晶体的尺寸从nm到mm，一般在 m量级。采用液相法及气相传输法生长的C60单晶体 长度可达mm量级。
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第一节 碳，纳米材料中不可或缺的一 员
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存 在于大气和地壳之中。它在地球中的丰度居元 素的第14位。碳单质很早就被人认识和利用， 碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。 碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化 学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和 商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都 含有碳元素。 本章只讨论碳单质纳米材料
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石墨及其结构
o石墨的结构早在1917年就已经 被Debye, Scherrer, Grimm, Otto, 和Bernal等人标定证明了。 o石墨的基本组成单元为石墨烯 （graphene） o在石墨烯中，每个碳原子都占 据一个六边形的顶角。由于sp2 杂化，每个碳原子都有三个 σ 键。键的沿着六边形的边方向 与邻近三个原子相连，组成一 个二维的原子面
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作耐火材料，如石墨坩埚。 作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳 管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像 管的涂层等。 作耐磨润滑材料。 石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐 腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换 器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、 过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生 产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。 作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料 用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用 于原子反应堆中 石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。
碳的同素异形体“相”图
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碳纳米材料的结构和化学键
存在各种形态的原因——化学键
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碳原子的核外电子层结构: 1s22s22p2 可能的三种杂化形式：sp、sp2和sp3（spn杂化） 以共价键方式结合：单键, 双键和叁键 原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
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a. 石墨烯通过ABABA的堆积方式行成了六角 柱型石墨结构，被称为a石墨 b. 石墨烯通过ABCABCA的堆积方式形成了斜 方六面体结构，被称为b石墨 o石墨烯内的最近邻原子间距：0.142nm o石墨片层间距：0.335nm (约为2倍范德华半 径），所以石墨片层间很容易滑动，被用作固 体润滑剂
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建筑师富勒的设计之一 /ARCHITEC T/ARCH-Fuller.htm
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构） /collectio n/buckyball/chrisb%201.0/bu ckyball.htm
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C60的制备（1）
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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。
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石墨的物理性质
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耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，石墨强度随温 度提高而加强。热膨胀系数也很小。 导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、 铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下， 石墨成绝热体。 石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只 形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。 润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数 越小，润滑性能越好。
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C60的结构
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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0.71nm，其60个顶角各有一个碳原子。 C60分子中碳原子价都是饱和的，每个碳原子与相邻的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0.1455nm，而六边形所共有的边为双键，健长为 0.1391nm。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。 除了C60外，还有C50、C70、C84、直至C960等，其中C70有 25个六边形，为椭球状。
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o多层石墨烯靠范德华力结合在 一起，行成层状结构的石墨
石墨的成因和产状
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天然石墨：石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿 床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成。 天然石墨主要分布于： 中国：山东省莱西市为我国石墨重要产地之一,石墨探 明储量687.11万吨，现保有储量639.93万吨。 世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和 Ceylon，我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。 人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几 种。 等静压石墨。 模压石墨 挤压石墨，多为电极材料。
硬度大（莫氏硬度10，为所有材料中最高） 熔点高（金刚石的熔点是3550℃,石墨的熔 点是3850℃） 绝缘体（由于sp3杂化，电子全形成很强的 C-C共价键，所以无自由电子参与导电） 反射率高，全反射角范围大 热导率高（常温下是Cu的5倍） 化学性能稳定
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金刚石的用途
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C60的性能与应用
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最早探测到C60存在是采用质谱检测，此外，核磁共振、 拉曼谱、X射线衍射及扫描隧道显微镜等均可检测到C60分 子。 C60分子比较稳定，C60晶体升华温度为400℃,296K时C60 单晶体的热导率为0.4W/（m.k）。C60分子可与许多金属 原子形成金属化合物，金属原子位于C60的笼子中，如 La@C60，符号＠表示包裹关系，现在已可制得裹有La、 K、Na、Cs、Sc、Ti、Y、Zr、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、 Th、U等金属原子的富勒烯，在富勒烯笼内裹有一个或两 个甚至三个金属原子。内部含有氦原子和氖原子的富勒烯 也已被发现，每106个C60分子中约有一个C60包裹有一个 氦原子，惰性气体氦一般不同任何元素发生化学反应， He@C60的发现是极为罕见的化学反应现象。
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金刚石及其结构
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金刚石，就是具有 “金刚石结构”的碳 原子单晶 立体网状结构，由两 套面心立方嵌套而成 碳原子sp3杂化，与 最近邻的三个原子成 键形成正四面体
世界上最大的蓝钻，希望之心 （泰坦尼克号）
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金刚石的物理性质
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化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有 机溶剂的腐蚀。
可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。 抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏， 温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。
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石墨的用途
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C60 1985发现 1996获奖
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提纲
第一节 碳，纳米材料中不可或缺的一员
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第二节 金刚石，富勒烯C60 (Diamond & Fullerene)
第三节 碳纳米管 (Carbon nanotube, or CNT)
第四节 石墨烯 (Graphene)
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纳米材料导论
主讲教师：丁秉钧 西安交通大学，理学院
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XI’AN JIAOT—纳米材料中的变脸
Graphene 2004制备 2010获奖
and graphene
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此外，在富勒烯球形结构外添加其它化学基团，即C60和 这些化学基团结合形成化合物，如（CH3）nC60等。 C60晶体是面心立方晶体结构，在其四面体和八面体间隙 位置可以掺加入碱金属原子，形成MXC60晶体，如K3C60、 Cs2RbC60。1991年美国贝尔实验室研究人员发现C60和碱 金属形成的化合物具有超导性，K3C60超导临界温度 ＝ 18K，Cs2RbC60的 ＝33K。 C60有48个碳原子和金刚石一样是SP3杂化，这48个碳原 子的空间排列接近于金刚石中碳原子的空间排列。法国的 研究人员采用快速和非等静水压的压缩方法，在20GPa左 右的超高压下发现了C60晶体向金刚石的转变。富勒烯从 发现至今，引起了全世界各个学科的科学家们的极大兴趣， 对富勒烯的形成机制以及性能进行了大量的探索研究。对 其潜在的应用也在不断的探索之中。