纳米材料及基本性质

同而具有手性。碳纳米管的
直径一般为几纳米至几十纳 米，长度为几至几十微米。 碳纳米管可以因直径或 手性的不同而呈现很好的金 属导电性或半导体性。
具有极好的可弯折性
可扭曲性
碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计 可高达5 TPa(太帕)，这是目前可制备出的具有最高比 强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管 还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。
物理学家理查德.费曼Richard Feynman 1959年《在底部还有很大空间There is PБайду номын сангаасenty of Room at the Bottom. 》
一个原子一个原子地制造物品
•Eric Drexler
–One time student of Feynman –1986 book
•“Engines of Creation”
• 人工纳米结构组装体系
• 所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物 理和化学的方法人为地将纳米尺度的物质单元组装、 排列构成一维、二维、三维的纳米结构体系，包括纳 米有序阵列体系和介孔复合体系等。
• 这里人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像 人们用自己制造的部件装配成非生命的实体（例如， 机器、飞机、汽车、人造卫星等）一样，人们同样可 以形成具有各种对称性的和周期性的固体，人们也可 以利用物理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量 子线。
2 纳米微粒
纳米微粒一般在 1～100nm之间，有人称它 为超微粒子（ultra-fine particle）。 日本名古屋大学上田良二给纳米微粒下了一 个定义：用电子显微镜（TEM）能看到的微 粒称为纳米微粒。
Co纳米粒子——彩色透镜
标称粒径60nm二氧化硅 粒度标准物质的电镜照片
3 纳米管
当大量原子构成固体时，其结果是不连续的孤立能 级分裂成一系列的子能级，这些子能级离得如此之近， 以致形成能带。（金属）由于电子数目很多，能带中能 级的间距很小，因此形成连续的能带。 从能带理论出发成功的解释了大块金属，半导体， 绝缘体之间的联系和区别。
导带 Eg Eg 禁带
第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构 的材料体系越来越受到人们的关注 （通向纳 米器件研究）。
第四阶段（未来） 纳米器件与纳米计算机等装置的研究，纳米 工业革命… ... 。
内容提要
纳米材料及其分类 纳米结构单元 纳米材料的基本特性
纳米微粒的物理性质 纳米材料的制备方法
层状
基本纳米结构单元
轨道状
Cu分形状
多孔状
基本纳米结构单元
Au-足球状
基本纳米结构单元
洋葱状
原子团簇的特性
原子团簇不同于有特定大小和形状的分子、 分子间以弱的结合力结合的松散分子团簇和周期 性很强的晶体。
原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚 未形成规整的晶体，除惰性气体外，它们都是以 化学键紧密结合的聚集体。 极大的比表面积使它具有异常高的化学活 性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应、 电导的几何尺寸效应、C60掺杂或掺包原子的导电 性和超导性、碳管和碳葱的导电性等。
“反蛋白石结构”光子晶 体
不同纳米材料自组装成纳米结构
用DNA将很多超小结构拼凑起来的——搭积木
• 纳米结构的自组装体系
• 纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方
向性的非共价键，如氢键、范德瓦尔斯键和弱 的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在 一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。 自组织过程的关键不是大量原子、离子、分子
• 纳米科技是高度交叉的综合性学科，包括物 理、化学、生物学、材料科学和电子学。它 不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础 学科，同时还有以纳米工程与加工为主线的 技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融 科学前沿和高技术于一体的完整体系。
• 纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米 化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子 学、纳米加工学和纳米力学。
纳米结构的特点
1 由于它具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、 小尺寸效应、表面效应等特点，又存在有纳米 结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和 协同效应等。
2 这种纳米结构体系很容易通过外场（电、磁、 光）实现对其性能的控制，使纳米超微型器件 的设计基础。
纳米结构的出现将人们对纳米材料出现的 基本物理效应的认识不断影响深入。
1991年日本NEC公司 饭岛等发现纳米碳管， 立刻引起了许多科技 领域的科学家们极大 关注 [Nature (1991)]
碳纳米管
多壁碳纳米管是由多个 碳原子六方点阵的同轴圆柱 面套构而成的空心小管，管 间距为0.34nm左右（相当于 石墨的{0002}面间距），其 中石墨层可以因卷曲方式不
5
纳米薄膜
• 石墨烯
6 纳米结构：
• 是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律 构筑或营造一种新的体系，包括一维、二维、 三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳 定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳 米尺寸的孔洞。
• 根据纳米结构体组装系构筑过程中的驱动力 是靠外因还是内因，分为：人工纳米结构组 装体系和纳米结构自组装体系。
早在 1970年法国奥林大学（University of Orleans）Endo首次用气相生长技术制成了直径为 7nm的碳纤维，遗憾的是，他没有对这些碳纤维的 结构进行细致地评估和表征。 1991年，美国海军实验室一个研究组提交一篇 理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但 当时认为近期内不可能合成碳纳米管。 同年1月,日本NEC公司饭岛(Ijima)等发现纳米 碳管，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关 注。
纳
米
材
料
本节要讨论的问题
1 2 3 4 纳米材料的定义及分类 纳米结构及分类 纳米材料的基本单元 纳米材料的基本特性 小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应、宏观量子隧道效应
• http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39356&do=blog&id= 485963 微纳米艺术之微纳米地图（配图.科普）
•
青霉素的发现便是这样一例。1945年，在哈佛大学的 毕业典礼上，刚刚获得哈佛名誉讲师称号的英国细菌学家、 青霉素的发现者亚历山大.弗莱明爵士向两万五千名毕业生 发表演讲。他说，1928年的那一天，“我并没有打算让产 黄青霉孢子掉在我的培养基上，但是我一看见培养基上出 现的变化，就丝毫不怀疑，非同寻常的事就要发生 了。……那块霉菌也可能掉在其他培养基盘子上,那么就不 会有明显的变化，从而引起特别的直接关注”。他对哈佛 学子谆谆嘱咐说，“千万、千万不要忽视非同寻常的现象 或事件。也许它只是一桩虚假警报，一无用处。但是，从 另一方面说，它也可能是命运向你提供的导致重大进展的 线索”。他还说，“头脑的准备不足，就看不见伸向您的 机会之手”。单单靠好奇心还产生不了新知识，单单靠运 气也产生不了新知识。重大新知识的发现取决于一丝不苟 的工作和有准备的头脑之想象。
之间弱作用力的简单叠加，而是一种整体的，
复杂的协同作用。
手性的
MOFs是在上世纪90年代初由Yaghi发明的， 它就像一个连接杆形成的支架，具有的纳 米级孔隙大小适合用来捕获CO2。
自组装的具有纳米孔洞的分子
Towards designing the form and function of 2D molecular systems, 14 May 2009, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1200904.1614
什么是纳米材料？
• 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米 量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、 分子与宏观体系之间的纳米粒子所组成的材料。
• 纳米材料：把组成相或晶粒结构控制在 100nm以下尺 寸的材料称为纳米材料。 • 纳米材料的特点： 1 原子畴（晶粒或相）尺寸小于100nm； 2 很大比例的原子处于晶界环境； 3 各畴之间存在相互作用。
纳米结构单元
构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的 基本单元有下述几种：
1 团簇(cluster)
原子团簇是一类新发现的化学物种，是在20世 纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至几百个原 子的聚集体（粒径小于或等于 1nm），如Fen， CunSm，CnHm和碳簇（C60, C70和富勒烯等）等。 绝大多数原子团簇的结构不清楚，但已知有线 状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等．
Scanning-tunneling microscope (STM) image of C60(carbon) guest molecules (purple), partially populating coexisting regions of the chicken-wire (left)（六角形网眼结构） and flower (right) （花样结构）polymorphs of self-assembled trimesic acid (TMA， 均苯三酸). The inset models show the position of the fullerenes (purple) within the TMA meshes (brown).
Serendipity
• Serendipity这个词的中文含义很难表达。它来自英国作 家H. Walpole的小说“The Three Princes of Serendip” （Serendip三王子的故事），原来指碰巧发现珍宝的运气。 其一般含义是，发现并非有意寻求的好东西之能力。视不 同场合，这个词也许可以译作“歪打正着”、“偶然发 现”、“意外发现”、“捕捉意外良机的本领”，等等。 科学史上的许多科学发现似乎纯属意外，都是科学家凭借 这种特殊能力而妙手偶得的。 • 法国大科学家巴斯德说，“机遇垂青有准备的头脑”。只 有那些善于观察和思考、孜孜不倦寻求真理的人才会牢牢 抓住有所发现，有所创造。
纳米微粒的基本特性
1. 量子尺寸效应 2. 小尺寸效应
3. 表面效应
4. 库仑堵塞和宏观量子隧道效应
5. 介电限域效应
量子尺寸效应
• 量子化：量子力学中，某一物理量的变 化不是连续的，称为量子化。 1 原子分立能级 如：各种元素都具有自己特定的光谱线， 如氢原子和钠原子分立的光谱线。
2 固体的能级
C纳米管 和C60球
纳米材料发展的三个阶段
第一阶段（1990年以前） 主要是在实验室探索制备纳米颗粒 粉体、块体、薄膜新方法，研究表征手 段，探索纳米材料的特殊性能。 研究的对象一般局限在单一材料和 单相材料，国际上通常把这类纳米材料 称纳米晶或纳米相材料。
第二阶段（1994年前） 人们关注的热点是如何利用纳米材 料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学 性能，设计纳米复合材料。
4 纳米棒、纳米线
一般将纵横比（长度与直径的比率）小于20的 称为纳米棒，纵横比大于20的称作纳米丝。至今， 关于纳米棒与纳米丝之间并没有一个统一的标准。 此外，半导体和金属纳米线通常称为量子线．
CdS纳米棒
金纳米棒 银纳米线
• 纳米带
宽度和厚度都是纳米尺度，但宽比厚要超过10倍 的材料。
纳米带
纳米材料的分类
按维数，纳米材料的基本单元可以分为: 1 零维：在空间三维尺度上均在纳米尺度，如 纳米尺度颗粒，原子团簇； 2 一维：在空间有两维处于纳米尺度，如纳米 丝，纳米棒，纳米管等； 3 二维：在三维空间中有一维在纳米尺度，如 超薄膜，多层膜，超晶格等。 由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成 分。因此，纳米材料出现了许多不同于通常的大块 宏观材料的特殊性质。
C60及其他富勒烯
• C60的发现——1985年美国Smalley教授和英国kroto 等在Rice大学的实验室，采用激光轰击石墨靶， 并用苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现高丰度 的C60。
C60由32个面构成，其 中20个六边形，12个五边 形，C60 的直径为0.7nm。 构成碳团簇的原子数为 20、24、28、32、36、50、 60和70具有高的稳定性， 其中又以C60最稳。