南邮材料化学答案 第十章 纳米材料

第十章纳米材料

1. 什么是纳米材料?你在日常生活中碰到过哪些纳米材料? What are nanomaterials? which nanomaterials do you come across in daily lives ?

答：纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1~100 nm）调控的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料。

日常生活中碰到的纳米材料有纳米衣服（例如，纳米TiO2具有较好的吸收紫外线的能力，将其加入纤维中可以起到屏蔽紫外线的作用）、纳米涂料（增加耐洗刷性）、纳米复合材料（如在传统的塑料生产过程中加入纳米材料，可显著提高其力学性能，并改善其加工性能）、净水器的滤芯（如使用纳米银颗粒，具有抗菌的效果）、纳米冰箱（除菌）、玻璃或瓷砖表面的纳米涂层（具有自洁功能）。另外一些纳米产品，尤其是直接作用于人体的产品，如纳米化妆品，其利弊还颇有争议。

Nanomaterials refer to a variety of solid ultrafine materials that at the microscopic structure at least in one dimension are on the regulation of the nanoscale (1 to 100 nm), or regard them as the basic unit consisting of materials.

Nanomaterials in everyday life include nano clothes (for example, nano-TiO2 has a better ability to absorb ultraviolet light, the addition of fiber can play the role of shielding ultraviolet radiation), nano-coating (increase scrub resistance), the nanocompositematerial (such as nano-materials in the plastic production process can significantly improve their mechanical properties, and improve the processing performance), the water purifier filter (such as the use of silver nanoparticles have the antibacterial effect), nano refrigerator (sterilization), the nano-coating on the surface of glass or tile (with self-cleaning function). Some nano-products, especially products of the direct effect on the human body, such as nano-cosmetics, the pros and cons of wholly unknown to the controversial.

2. 试阐述纳米效应及其对纳米材料性质的影响。Elaborate nanometer effect and its impact on the nature of nanomaterials.

答：纳米材料的独特效应包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

1）小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时，一般固体材料赖以成立

的周期性边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的尺寸

效应。小尺寸效应会影响材料在各个方面的性能，具体如下：光学性质，几乎所有

金属在其颗粒尺寸小于光波波长时，都失去了金属光泽而呈现黑色。热学性质，固

态物质在其当颗粒小于10 nm时，熔点显著降低，例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸为2 nm时，熔点仅为327℃左右。磁学性质，磁性超微颗粒的尺寸小

于20 nm时，其矫顽力可增加1000倍，当进一步减小至小于6 nm时，其矫顽力

反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用其具有高矫顽力的特性，可制造高存储密度

的磁记录磁粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等；利用其超顺磁性，可制成用

途广泛的磁性液体。力学性质，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷，克服了原有的

脆性而具有良好的韧性。金属纳米材料的硬度也明显提高。超微颗粒的小尺寸效应

还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

2）表面与界面效应随着颗粒直径的变小，颗粒的比表面积显著增大，表面原子所占百分数迅速增大，表面能增加。表面与界面效应主要影响材料的化学性能。化学

性质，由于表面原子数增多，比表面积大，原子配位数不足，存在未饱和键，导致

纳米颗粒表面存在许多缺陷，使表面具有很高的活性，特别容易吸附其它原子或与

其它原子发生化学反应。例如，空气中的金属纳米颗粒会容易被氧化而燃烧。

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为离散能级的现象，以及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，这些能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。当能

级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要

考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、热、电及超导电性与宏观材料的性

质有着显著的不同。

4）宏观量子隧道效应一些宏观量（如微粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等）也具有隧道效应（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）的现象称为宏观量子隧道效应。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。量子尺寸效应，

隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化

的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

The unique effects of nanomaterials include small size effect, surface effect, quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect

a) Small size effect When the size of the ultrafine particles is equal to or smaller than the