第二章_纳米材料结构与物理化学特性
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• 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
§2.2 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，
纳 米 敏 感 材 料
（举例）
Biomolecular Recognition by Nano-fingers
Science 288, 5464 (2000)
纳米储能材料（举例）
能储氢的纳米碳管（储氢率10％，按重量）
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。
金属纳米颗粒在空气中自燃
• §2.2.2 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。
MCM-41
SBA-16
6, 9, 20, 26 nm
2.1.2
• 按化学成分分类
根据化学成分，纳米材料可分为纳 米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分 子。
纳米Al颗粒
纳米晶粒
纳米陶瓷
高分子
2.1.2
• 按物性分类
根据物性，纳米材料可分为纳米 半导体材料、纳米热电材料、纳米磁性 材料、纳米非线性光学材料、纳米铁磁 材料、纳米超导体材料。
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。
• 超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具 有一定吸引力。
粒子尺寸减小，粒子表面活性增高
如，金属的纳米颗粒在 空气中会燃烧，无机的 纳米颗粒暴露在空气中 会吸附气体并与气体进 行反应都是因为这些纳 米颗粒的表面活性高的 原因。
第二章 纳米微粒的物理化学特性
• 教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及 碳纳米管
• 重点内容： • 纳米材料的分类 • 纳米材料与传统材料的主要差别 • 物理特性：热学性能，磁学性能，光学性能，
电学性能，表面活性及敏感特性，光催化性 能，力学性能 • 富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 • 难点内容：物理特性
纳米多孔薄膜
生物双分子膜
超晶格
• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
晶粒尺寸在纳米尺度（1～100 nm）范围的块状材料。
• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
5. 纳米孔材料（孔径为纳米级）
• MCM-41; SBA-16; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
• 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。
• 纳米微粒的粒径与熔点的关系
• 对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液 态间的转变温度。
• 当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而
代之的是液相中不规则的原子排列。
• 1954年，M. Takagi首次发现纳米粒子的熔点低 于其相应块体材料的熔点。
2.1.1 纳米材料的分类
• 按维数分类
根据维数，纳米材料可分为零维 纳米材料、一维纳米材料、二维纳 米材料、三维纳米块体材料和纳米 孔材料。
1.零维纳米材料
空间三维尺度都在纳米 尺度（1～100nm）范围 内，即纳米颗粒。
C60富勒烯
纳米微粒
原子团簇
2.一维纳米材料
空间三维尺度中有两维在 纳米尺度（1～100 nm）范 围内，包括纳米棒、纳米管、 纳米线和原子线等。
百度文库
纳米棒
碳纳米管
Si纳米线
碳原子线
一维纳米材料 ----纳米棒、纳米带和纳米线
• 一维纳米材料是指在两维方向上为纳米 尺度，长度比上述两维方向上的尺度大 很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。
• 纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带同轴 纳米电缆
• 纳米棒：纵横比(长度与直径的比率)小，截面 为圆形。一般小于20。
• 纳米线：纵横比大，截面为圆形。 • 纳米带其截面为长方形。 • 半导体和金属纳米线通常称为量子线。
• 同轴纳米电缆：芯部为半导体或导体的纳米线， 外包异质纳米壳体（半导体或导体），外部的 壳体和芯部线是同轴的。
3. 二维纳米材料
空间三维尺度中有一维在纳米尺度（1～ 100 nm）范围内，包括纳米薄膜、纳米涂 层和超晶格等。
时，327 ℃； • 银块熔点，960 ℃；纳米银(2-3 nm)，低于100
℃。 • 用于低温焊接(焊接塑料部件)。
• Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如 图所示。
• 图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下 降。当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降。其中 3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点 的一半。
• 从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶 都具有这种效应。
• (1)熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多。
“真金为手何握金也汤怕火炼”
• 大块铅的熔点327 ℃ ，20 nm 纳米Pb 39 ℃. • 纳米铜(40 nm)的熔点，由1053℃(体相)变为
750℃。 • 块状金熔点 1064 ℃，10 nm时1037 ℃；2 nm
• 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应用前景。
• §2.2.1 热学性能 • 纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体
材料，具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、 畴界等)。
• 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。
磁畴
反射 率很 小
纳米磁性材料
纳米非线性材料
2.1.2
• 按应用分类
根据应用，纳米材料可分为纳 米电子材料、纳米光电子材料、纳米 生物医用材料、纳米敏感材料和纳米 蓄能材料。
纳米电子材料举例
纳米光电子材料（举例）
不导电
光照
导电
纳米医用材料（举例）
功能化 的医用 纳米碳 管
加拿大多伦多一家公司设计研制了一种针对艾滋 病的新药，制成了以C60为核心的靶向药物，这 种药物在动物实验上获得成功。
• 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
§2.2 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，
纳 米 敏 感 材 料
（举例）
Biomolecular Recognition by Nano-fingers
Science 288, 5464 (2000)
纳米储能材料（举例）
能储氢的纳米碳管（储氢率10％，按重量）
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。
金属纳米颗粒在空气中自燃
• §2.2.2 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。
MCM-41
SBA-16
6, 9, 20, 26 nm
2.1.2
• 按化学成分分类
根据化学成分，纳米材料可分为纳 米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分 子。
纳米Al颗粒
纳米晶粒
纳米陶瓷
高分子
2.1.2
• 按物性分类
根据物性，纳米材料可分为纳米 半导体材料、纳米热电材料、纳米磁性 材料、纳米非线性光学材料、纳米铁磁 材料、纳米超导体材料。
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。
• 超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具 有一定吸引力。
粒子尺寸减小，粒子表面活性增高
如，金属的纳米颗粒在 空气中会燃烧，无机的 纳米颗粒暴露在空气中 会吸附气体并与气体进 行反应都是因为这些纳 米颗粒的表面活性高的 原因。
第二章 纳米微粒的物理化学特性
• 教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及 碳纳米管
• 重点内容： • 纳米材料的分类 • 纳米材料与传统材料的主要差别 • 物理特性：热学性能，磁学性能，光学性能，
电学性能，表面活性及敏感特性，光催化性 能，力学性能 • 富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 • 难点内容：物理特性
纳米多孔薄膜
生物双分子膜
超晶格
• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
晶粒尺寸在纳米尺度（1～100 nm）范围的块状材料。
• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
5. 纳米孔材料（孔径为纳米级）
• MCM-41; SBA-16; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
• 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。
• 纳米微粒的粒径与熔点的关系
• 对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液 态间的转变温度。
• 当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而
代之的是液相中不规则的原子排列。
• 1954年，M. Takagi首次发现纳米粒子的熔点低 于其相应块体材料的熔点。
2.1.1 纳米材料的分类
• 按维数分类
根据维数，纳米材料可分为零维 纳米材料、一维纳米材料、二维纳 米材料、三维纳米块体材料和纳米 孔材料。
1.零维纳米材料
空间三维尺度都在纳米 尺度（1～100nm）范围 内，即纳米颗粒。
C60富勒烯
纳米微粒
原子团簇
2.一维纳米材料
空间三维尺度中有两维在 纳米尺度（1～100 nm）范 围内，包括纳米棒、纳米管、 纳米线和原子线等。
百度文库
纳米棒
碳纳米管
Si纳米线
碳原子线
一维纳米材料 ----纳米棒、纳米带和纳米线
• 一维纳米材料是指在两维方向上为纳米 尺度，长度比上述两维方向上的尺度大 很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。
• 纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带同轴 纳米电缆
• 纳米棒：纵横比(长度与直径的比率)小，截面 为圆形。一般小于20。
• 纳米线：纵横比大，截面为圆形。 • 纳米带其截面为长方形。 • 半导体和金属纳米线通常称为量子线。
• 同轴纳米电缆：芯部为半导体或导体的纳米线， 外包异质纳米壳体（半导体或导体），外部的 壳体和芯部线是同轴的。
3. 二维纳米材料
空间三维尺度中有一维在纳米尺度（1～ 100 nm）范围内，包括纳米薄膜、纳米涂 层和超晶格等。
时，327 ℃； • 银块熔点，960 ℃；纳米银(2-3 nm)，低于100
℃。 • 用于低温焊接(焊接塑料部件)。
• Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如 图所示。
• 图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下 降。当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降。其中 3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点 的一半。
• 从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶 都具有这种效应。
• (1)熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多。
“真金为手何握金也汤怕火炼”
• 大块铅的熔点327 ℃ ，20 nm 纳米Pb 39 ℃. • 纳米铜(40 nm)的熔点，由1053℃(体相)变为
750℃。 • 块状金熔点 1064 ℃，10 nm时1037 ℃；2 nm
• 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应用前景。
• §2.2.1 热学性能 • 纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体
材料，具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、 畴界等)。
• 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。
磁畴
反射 率很 小
纳米磁性材料
纳米非线性材料
2.1.2
• 按应用分类
根据应用，纳米材料可分为纳 米电子材料、纳米光电子材料、纳米 生物医用材料、纳米敏感材料和纳米 蓄能材料。
纳米电子材料举例
纳米光电子材料（举例）
不导电
光照
导电
纳米医用材料（举例）
功能化 的医用 纳米碳 管
加拿大多伦多一家公司设计研制了一种针对艾滋 病的新药，制成了以C60为核心的靶向药物，这 种药物在动物实验上获得成功。