973项目申报书——2009CB930400-纳米结构材料的程序化组装

项目名称：纳米结构材料的程序化组装

首席科学家：宋卫国中国科学院化学研究所起止年限：2009.1至2013.8

依托部门：中国科学院

一、研究内容

（1）赋予纳米结构空间各向异性。各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是程序化组装的基础。为此我们将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸，形貌和表面化学功能调控，选区修饰，不对称粒子等手段引入空间各项异性的方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的技术。

（2）纳米结构单元组装的空间调控：利用作用于纳米结构单元的空间各向异性，研究如何可控地将不同的纳米结构单元组装为初级结构；调控组装体中的组分序列和空间构型；设计和构建异质界面，在纳米结构单元之间引入对外界环境刺激敏感的生物或合成大分子；控制纳米结构组装体作为一个整体的性能。

（3）纳米结构单元的动态组装与过程调控：通过精细地调控在纳米结构单元之间的排斥力和吸引力的平衡，在纳米结构单元间始终保持一个可控且较强的排斥力，实现纳米结构单元的组装的动态化。此外，利用各种界面作模板诱导纳米结构的组装，界面的动态特征也将用于强化实现纳米结构的动态组装。利用外加场（光，电，磁），对纳米微粒的组装在过程乃至时间上实施调控。将通过空间受控组装制得的初级纳米结构，程序化组装为多维度多层次的纳米结构组装体。在特定区域引入特定组装功能，将其可控集成在器件单元上；将不同纳米结构组装体集成在一起，搭建多级多层次，功能可调，宏观可用的功能材料。

（4）研究组装过程与组装体的能量传递和物质传输：发展实时监控纳米组装单元和各级组装体的原理和方法。通过对纳米结构的组装过程的动力学和热力学的研究，从纳米结构单元层面上认识组装过程中物质能量转化与界面行为，获得其中物质能量转化与界面行为的基本规律。通过组装体的结构，调控在组装体中物质传输和能量传递，以适应不同应用过程的需要。借鉴超分子合成和组装以及生物大分子程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，发展纳米层次的组装物理化学。通过对组装过程规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的功能材料，发展全新的材料性能；

（5）纳米结构材料的规模化制造与应用：程序化组装，特别是动态组装可以显著地降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于规模化地制备纳米结构材料，因此我们将探索一些纳米结构材料程序化组装方法的规模化。同时，以应用需要为导向来设计材料，在光学材料，离子通道，分子扩散，催化等不同应用领域，设计相应的组装路线。通过设计材料—〉程序化自组装得到材料—〉应用实践检验材料—〉修改完善设这样一个螺旋上升的过程，为一些应用过程发展高性能的材料。

上述研究内容覆盖了纳米结构程序化组装过程中四个层次：纳米结构单元的设计，初级纳米结构的空间受控组装和多级纳米结构的动态可控组装，组装过程和组装体中物质传输和能量传递规律，以及纳米结构的集成和应用，可望为纳米结构材料的设计和应用奠定坚实基础。

二、预期目标

总体目标：

通过本项目支持，我们争取在纳米结构程序化组装方面做出若干在国际上具有原创性的研究成果。

在知识创新方面：我们希望在纳米结构的组成，形貌和表面控制，纳米结构间相互作用的调控，纳米结构的动态组装，组装结构能量和物质的传输等方面提出一些概念，原理和理论。5年内争取发表300篇SCI收录的论文，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，获国家奖1-2项。

在方法创新方面：建立空间和顺序过程乃至时间进行调控的纳米结构材料程序化构筑方法。发展纳米组装过程实时监控的新方法。

在技术创新方面：发展单分散各向异性纳米结构单元的制备技术，纳米结构自组装的时间和空间调控技术；异质结构的调控技术；程序化组装技术与传统微纳加工技术的结合。

在材料创新方面：创造以纳米结构为单元的新型功能材料。

在优秀人才培养方面：培养一批高层次的研究人才，包括若干国家杰出青年科学基金获得者，形成几个在国内外有重要影响的纳米微粒程序化组装的基地。

预期目标：

在单分散各向异性纳米结构单元的设计思想与制备方法方面取得突破，获得多种具有特定理化性质的组装单元；对单分散纳米结构单元的形成机理、适用理论进行深入探讨并对其进行完善；从微观层面上系统研究单分散各向异性纳米颗粒结构与性能的关系，为纳米结构的程序化组装奠定基础。

建立纳米结构程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，获取纳米粒子空间定向和分级组装的规律，研究组装体的动态调控过程，从而初步建立以纳米粒子为组装单元的组装化学，

设计构筑具有新颖性能的纳米结构组装体储能电极材料；开发出具有高速电子、锂离子通道的高能量密度、高功率密度纳米结构材料作为锂离子电池的正、负极材料。

通过程序化组装，以金属，半导体，以及复合物为结构单元，制备多种纳米条码。开发出快速准确的纳米条码读码手段。在生物医用分析和传感检测中作为载体。

发展一种多流体复合高压静电加工的技术，可控制备具有多腔中空结构和多核－壳复合结构的零维或一维微纳米材料。在吸附、微催化反应器以及节能、储能和保暖纤维等方面应用。为具有复杂结构与组成的零维、一维微纳米材料的可控制备提供一个比较简单快速、普遍适用的方案。

通过聚合物分子结构设计，实现乳胶粒子核壳结构控制，进一步通过粒子间弱相互作用实现聚合物光子晶体大面积可控组装，并发展其在太阳能电池、光催化、高灵敏传感器等方面的应用。

三、研究方案

在本项目中，我们将发挥化学，物理，材料，和生物的多种学科交叉的优势，针对多维多尺度纳米结构材料的设计，制备与应用及其多层次功能的开发中关键科学问题进行研究，对纳米结构材料的程序化组装这一重大问题重点突破，发展纳米加工新技术。总体研究方案如下：

单分散各向异性纳米结构单元的设计与制备

借鉴分子合成，高分子活性聚合以及生物分子缩聚的概念来指导纳米结构的制备；通过纳米结构单元的组成，形貌，表面修饰，不对称粒子外场作用等手段在纳米结构单元上构建纳米尺度的空间各向异性。

纳米结构材料的程序化多级组装

借鉴生命组织程序化多级组装的概念，在空间精确地控制纳米结构单元的组分序列和空间构型，制备具有空间构型稳定但可调的初级结构；协调纳米结构间的各种相互作用力，构建一个组装-解离的可控平衡，实现纳米结构的动态组装。同时，对纳米结构间的各种不同层次的相互作用进行时间编码，从而按时间顺序调制纳米结构组装成多级化结构，实现纳米结构的程序化组装，制备多级多层次纳米结构组装体。

纳米结构组装过程以及组装体中的能量转移和物质传输规律与调控

研究纳米结构单元程序化组装过程的能量转移和物质传输规律，调控纳米结构组装体内部的能量转移和物质传输方向，研究纳米结构组装体中的能量转移和物质传输对外界环境的刺激的响应，阐明纳米结构材料特有的物质传输和能量转移规律。

纳米结构的规模化制备和应用

纳米结构程序化组装的动态组装可以减小因组装过程的随机性造成的组装体的多分散性，从而使规模化制备成为了可能。这是纳米结构材料器件化应用的前提。同时，调制所得组装体的表面功能，结合相互作用的时间调控，既可以将纳米结构组装体集成到原型器件上，又可以实现不同纳米结构组装体的集成，构建全新的结构上多维多尺度，功能上多层次的复杂材料。将通过程序化组装得到的纳米结构材料用于组装光电子器件、能源、催化等方面，以应用中的表现来完善材料的设计和组装。

与目前国内外的相关的研究相比，本项目从纳米加工和纳米科技发展的关键问题切入,对纳米结构材料的程序化组装的各个层次进行深入系统地研究，体现我国“有所为，有所不为”的科技发展观，争创原创性的基础科研。本项目研究团队在纳米结构程序化自组装的前期研究中取得了一系列重要前期成果。基于上述研究思路和方案，本项目将不仅在纳米结构材料的程序化组装的基础研究领域取得在国际上具有重要影响的成果，开发具有重大应用价值的纳米结构组装材料，并且将培养出一批具有国际影响力的科学人才，形成独具特色的研究群体，为我国纳米科技的发展做出贡献。

课题设臵

本项目从纳米结构材料的程序化组装出发，结合已有研究基础，系统深入研究从单分散各向异性纳米结构单元的制备，到多级纳米结构的程序化动态组装。通过程序化组装实现对材料性能的高度调控。围绕研究目标，本项目设臵以下4个课题：

1、单分散各向异性纳米结构单元的设计与制备

研究纳米结构单元（包括纳米微粒和纳米孔）的成核和生长机制；探索纳米结构单元的组成、尺寸和形貌的调控技术；纳米结构单元表面的选区修饰；研究纳米结构组分调控技术，制备不对称粒子；发展不对称纳米粒子结构和性质的表征技术。

目标：建立单分散各向异性纳米结构单元的制备方法，获得多种具有特定理化性质的组装单元，为课题2，课题3，和课题4提供基础。

承担单位：国家纳米科学中心

负责人：魏志祥（研究员，百人计划，国家纳米科学中心）

经费比例：17.27%

2、多维多尺度纳米结构的制备及其功能性调控

系统研究各种组装驱动力作用下纳米组装单元的组装规律。调控纳米组装单元间相互作用，实现初级纳米组装结构的空间可控组装；设计并制备缺陷和异质结构。利用模板指导初级结构的空间构型的变化，构筑多级组装结构。通过组装驱动力的强弱，顺序及对外场的响应实现对组装过程的多级调控；实现动态组装。发展纳米结构单元组装过程的实时监控的新原理新方法。

目标：调控作用于纳米结构单元的各种组装驱动力，实现纳米结构单元的多级程序化组装。向课题1反馈纳米结构单元的设计需求。为课题3和课题4提供研究对象。

承担单位：复旦大学

负责人：汪大洋（教授，复旦大学）

经费比例：27.03%

3、程序化组装的能量转移和物质传输规律

研究组装过程中纳米结构单元间的协同效应，能量转移和物质传输规律；研究组装体中能量和物质输运与组装体结构的相关性；研究通过缺陷和异质节的设计调控组装体内的物质和能量传输；研究外场作用诱导下组装体内物质和能量的传输。

目标：阐明组装体中能量和物质输运的规律，向课题1，2反馈组装单元及组装体的设计需求，为课题4 性能开发提供理论依托。

承担单位：上海交通大学

负责人：车顺爱（教授，长江学者，杰出青年，上海交通大学）

经费比例：24.10%

4、纳米程序化组装材料的规模化制备和应用

探索纳米结构单元的规模化制备方法。研究组装体材料的规模化制备方法，应用于催化，储能等方面。探索将程序化组装技术与传统微纳加工技术的结合方法，用于光电子器件。开发组装材料规模化制备用设备。

目标：基于课题1和2的研究，发展规模化构筑程序化组装材料的方法，宏量制备。与课题3配合，探索程序化组装材料在光电子器件，能源，催化等方面的应用。

承担单位：中科院化学所

负责人：宋卫国（研究员，杰出青年，中科院百人计划，化学所）

经费比例：31.60%

为了推动项目的顺利实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把主要研究内容划分为4个层面，组织4个课题进行分工合作研究。这4个层面是1）结构单元的设计；2）多级纳米结构的过程乃至时间调制组装；3）组装过程与组装体的物质传输与能量转移规律；4）纳米结构自组装材料的集成和应用。本项目具有双重研究目的：一、从基础研究角度，发展材料设计和制备新概念，探索调控材料性能的新规律；二、从实际应用角度，发展纳米结构组装材料的重大应用价值。课题设臵以纳米结构单元间的相互作用为轴，将纳米结构材料程序化组装的4个层面贯穿在一起。结合研究的两个主要目的，我们组织4个课题进行分工协作研究。4个课题既含有相对独立的研究内容，又互为依托，相互反馈，对纳米结构材料的程序化组装的4个层面进行层层深入研究。

本项目由国内从事纳米结构组装研究基础较好的4个单位组成，形成了一支优势互补的团队。研究方案和内容是在四个单位的细致和深入的协商和讨论的基础上形成，经过一年多的科研讨论和学术互访，四个单位对本项目的有着统一深入的认知，对项目的课题分工有着清晰的共识。目前四个单位内部以及单位之间的合作已经取得了一些重要的研究进展：如复旦大学的江明院士和汪大洋教授合作在纳米微粒的组装和界面活性等方面取得了重要进展，分别在Adv. Mater. 和Angew. Chem. Int. Ed上发表1篇文章。上海交通大学车顺爱教授和国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组合作合成了手性纳米孔导电高分子材料并进行了结构的解析和性能测定，发表在Adv. Funct. Mater. 。这些前期合作结果为四个单位进一步的通力协作顺利完成本项目奠定了良好基础。

四、年度计划

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，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、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：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100nm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，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(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 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 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

金属材料表面纳米化的研究现状

金属材料表面纳米化的研究现状*中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室刘刚雍兴平卢柯 摘 要：概述金属材料表面纳米化研究的现状，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性，并对表面纳米化研究的发展进行展望。　 关键词：金属材料 表面纳米化 结构 性能　 中图分类号：ＴG17; TB33 文献标识码：A 文章编号：1007–9289(2001)03–0001–05 １　引 言　 材料的组织结构直接影响着材料的使用性能，为了满足工作环境对材料的特殊需求，人们提出了多种表面改性技术，如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积(PVD、CVD)、激光处理和表面化学处理等，这些技术通过材料表面组织结构的改善极大地提高了材料的服役行为，因此已在工业上取得了广泛的应用。随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入，如何将表面改性技术与纳米技术相结合、以开发利用纳米材料的优异性能有待于进一步探索。 在过去的20年，纳米材料和纳米技术的研究异常活跃，这主要是由于纳米材料具有独特的结构和优异的性能[1,2]，对纳米材料的研究不但进一步深化了人们对固体材料本质结构特征的认识，也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和技术基础。迄今为止，人们提出了多种纳米材料制备方法，如金属蒸发冷凝－原位冷压成型法、非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等[3~7]。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形、尺寸有限，内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术至今尚未能在三维块状金属材料上取得实际应用。 众所周知，大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化[8]，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。与其它纳米材料制备方法不同的是，表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现。此外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，这些技术在工业上应用 基金项目：国家自然科学基金项目(50071061);中国科学院创新基金重大项目 作者简介：刘钢男 (1963－) 副研究员博士 收稿日期：2001–08–16 并不存在明显的障碍；在使用过程中不会发生剥层和分离。因此，这种新材料有着开发应用的潜力。 最近，表面纳米化已引起国际同行的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。本文将表面纳米化研究的现状进行综述，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性，并对表面纳米化研究的发展进行展望。 ２ 表面纳米化的基本原理与制备方法　 在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8]：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式，如图1所示，以下分别作以介绍。 图1 表面纳米化的3种基本方式 Fig.1 Schematic illustration of three types of surface nanocrystallization (a) surface coating or deposion(b) surface self-nanocrystallization (c) hybrid surface nanocrystallization 2.1 表面涂层或沉积 首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。这种材料的主要特征是：纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所增加，图1(a)。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积表面涂层或沉积 (b) 表面自身纳米化 (c)

纳米粒子的自组装

纳米粒子的自组装 摘要：本文主要介绍了自组装的相关基础知识，并具体对纳米粒子的自组装进行了介绍，通过组装单元的类型对纳米粒子的自组装进行分类。组装单元有柔性的也有刚性的，有各向异性的也有各向同性的。分为各向同性刚性粒子的自组装、各向异性刚性粒子的自组装、各向异性柔性粒子的自组装以及各向同性柔性粒子的自组装这四类进行了详细介绍。 关键词：纳米粒子，自组装，刚性，柔性，各向同性，各向异性 1引言 组装在汉语释义中，是指把零散的部件组合在一起，使成为整体，组装的过程中，用到的是人力或者机械力。与日常生活中的“组装”不同，自组装（self-assembly）是指在非共价力的作用下，小分子、大分子或纳米粒子组合成规则有序的物体。这里的非共价力包括范德华力、氢键、静电作用、疏水作用、偶极相互作用等，称为自组装的驱动力，非共价力不是人手或者机械可以操控的，非共价力的操控需要人们对于物理化学的原理的理解和运用。自组装形成的规则有序的物体称为自组装体或者组装体（assembly），形成组装体的原料成为组装单元（building block），根据组装单元的不同，相应的就有小分子自组装、大分子自组装和纳米粒子的自组装。 图1.1是不同尺度物体生产的空间坐标轴，在坐标轴的右侧，常规加工可以制造各种尺寸大于0.1mm的物体，制造的技术已经非常成熟。微加工（microfabrication）则可以制造各种复杂形貌的微米物体（1-100μm），比如用双光线技术。在坐标轴的左侧，在零点几纳米到几纳米的尺度内，有机化学已经可以根据需要设计合成各种目标分子，技术已经非常成熟；在几个纳米到几百纳米范围内，高分子化学家则可以合成各种构造的高分子入梳形高分子，胶体化学家可以合成各种纳米晶体如八角状的纳米晶体，该尺度范围内，虽然还不能按照需要任意地制备物体，但是已经可以制造很多种不同结构不同形貌的物体，然而对于位于坐标轴中间的几十纳米到几个微米的尺度范围来说，该尺度大于化学合成所能制备的物体的上限，小于常规加工和微加工所能达到的下限，该尺度范围内的制造需要人们通过物理化学的原理的理解和使用来完成，这就是大分子自组装以及纳米粒子的自组装的任务所在。 图1.1 Fabrication of objects at all scales 大分子自组装经过三十年的发展，通过嵌段共聚物溶液自组装的方法可以制备二三十种

关于纳米材料和纳米结构的研究

关于纳米材料和纳米结构的研究 发表时间：2019-07-18T12:27:02.667Z 来源：《科技尚品》2018年第11期作者：于涵 [导读] 纳米材料问世后，各国科学家都开始对这种物质进行研究，国家关于纳米材料和纳米结构的研究也始终没有停止，现如今，中国在纳米材料和纳米结构方面的研究水平已经进入了国际先进行列。本文基于纳米材料和纳米结构，针对纳米材料在催化科学、分析分离科学、光电材料科学的应用展开了全面的分析。 宣化一中 引言：近年来，国际上关于纳米材料和纳米结构的研究不断发展，出现了很多新的研究热点，包括：半导体芯片、癌症诊断、光学材料等。随着研究的深入，未来将会有更多的纳米产品问世。将纳米材料和纳米结构和其他技术相结合，开拓新的思路，可以让纳米材料和纳米结构的适用性得到进一步提高。 一、纳米材料和纳米结构 纳米中主要包括两个部分，分别为：纳米晶粒和晶粒界面，晶界原子的比例极大是纳米最为突出的结构特征，此外，纳米晶界原子结构较为复杂，所以纳米中的晶界结构一直都是研究的重点，很多学者都提出了不同的模型学说，但纳米材料中的境界微观结构一直都没有形成一个统一的模型。不仅是因为晶界结构较为复杂，也是因为晶界结构会受到多种因素的影响，导致同一块材料中也会有不同的差异性。由于纳米结构上的特殊性和不稳定性，让纳米材料形成了很多的特殊性能。不仅如此，纳米材料的物理化学性能和绝大部分物体的物理化学特性都不同，其中最为典型的就是催化性能和光学性能这两个性能。比如，纳米材料在作为光催化剂使用时，因为纳米本身的粒径较小，所以可以到达表面的纳米粒子数量较多，光催化效率也就相对提高。随着时间的发展，科学技术的不断提升，对纳米的研究也就进一步深入，现如今，纳米材料中的线性光学性质以及晶体材料的光伏特性、发光效应也是纳米光学性质的研究热点问题。 二、纳米材料在不同科学行业中的应用 （一）纳米材料在催化科学中的应用 由上文可知，纳米材料的催化性能较优，因此在催化科学中得到了广泛的应用。近年来，含银催化剂在电催化水裂解、海水电解产氯气等方面都有着良好的应用，而采用海水电解产氯气的方式可以更好的减低能耗，这其中最为关键的环节就是制作合成出高效的含银催化剂[1]。采用自上而下的纳米颗粒制备方法，可以制作出一种稳定的银纳米颗粒，经过研究发现，这种纳米材料具有着较高的银卤素比例，应用在海水电解产氯气的过程中，可以有效催化氯气产生，而且这种纳米材料的催化活性较高。在调控催化纳米管时，也可以采用这种纳米材料，这种材料因其本身的性能较优，现如今已经在材料科学、传感器科学的研究中得到了广泛应用。（二）纳米材料在分析分离科学中应用 金纳米粒子作为纳米材料在分析分离科学中的应用效果一直较好，经常被用于检测物质，通过金纳米粒子的聚集和分散，观察体系溶液颜色的变化，就可以进行分析检测，这其中就利用了金纳米粒子的比色传感理论。此外，在传感领域也具有着一定的应用前景，将金纳米粒子和其他常见的应用物质进行结合，可以在分析分离科学中得到进一步的应用，从根本上提高检测结果的准确性。小分子凝胶是一种新型的功能材料，这种软材料可以利用分子间的相互作用，形成一个微纳米网络结构，根据分子在空间构型上的微小差别，会形成不同尺寸的微纳米网络结构。比如：检测二价汞离子的过程中，可以利用这种小分子凝胶体系进行灵敏检测，不仅如此，这种凝胶体系还可以检测水中汞离子。 （三）纳米材料在光电材料科学中应用 除了上述两个方面以外，纳米V型刚棒-线团分子以及双稳态功能轮烷分子梭在光电材料科学中都有着一定的应用。近几年，纳米材料在光电器材方面的应用得到了科研工作者的广泛关注，纳米材料在水中的自组装行为，在光电材料中科学、纳米材料科学、超分子化学以及主客体化学中都有着广泛的应用，利用这一性能形成的纳米V型刚棒-线团分子在水中就可以完成自组装行为。而稳态功能轮烷分子梭的设计和制备，在发展有机光电功能超分子体系中发挥着重要的作用。因此，在催化材料、光子晶体、药物控制输送等领域中都可以看见单分散核/壳纳米复合材料的身影，通过对具有单分散核/壳纳米复合材料性能的卟啉纳米金纳米粒子形成过程的研究，可以发现这种复合性的纳米粒子在构筑光电器件山发挥着重要的作用，且比其他复合材料具有着更大的光电流，光电性能也较为稳定。此外，这种复合材料的制备方法较为简单，生产便捷，因此大范围应用[2]。 总结：综上所述，纳米结构和纳米材料在科学行业中植根深远，在很多方面中都会发挥着重要的作用，作为一种市场前景广阔的新材料，国家应该进一步投入人力和资金展开研究，并且作为重点研究开发项目。二十一世纪，纳米技术会成为一种决定性技术，加强其在不同领域中的发展，可以推动国家科学领域的进步。 参考文献： [1]赵然. 博士论文-铀钍氧化物纳米材料和铀酰-异金属配位聚合物的合成、结构和性质研究[J]. 2016. [2]马佳文. 碳纳米材料与金属复合结构中空位缺陷产生和作用机制的理论研究[D]. 2016.

表面纳米化对金属材料耐磨性的影响

东华大学研究生课程论文封面 教师填写： 得分任课教师签名 学生填写： 姓名学号 专业导师 课程名称 任课教师课程学分 上课时间20 至20 学年第学期星期 递交时间年月日 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：

表面纳米化对金属材料耐磨性的影响 摘要：材料的磨损起源于表面,金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。利 用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,从而大 大提高金属的耐磨性。结合国内外学者的研究报道,综述了表面纳米化在金属耐磨 性方面的影响,讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素, 简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果,最后进行 了总结和展望。 关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性 Influence of Surface Nanocrystallization on Wear Resistance of Metallic Materials Abstract:Wearing stems from surface of material, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nanostructured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization technology on surface of metallic materials to enhance their wear resistance distinctly. With the research work of scholars, an overview of the influence of surface nanocrystallization on wear resistance of metallic materials is given. The methods, principle and factors influencing wear property of surface nanocrystallization are dis2 cussed, the research achievements and applying results are illustrated, and the summary and prospect are presented at last. Key words: surface nanocrystallization; metallic materials; wear resistance 1、引言 结构材料中许多失效(如磨损、疲劳等)均与材料表面结构和性能密切相关。在大多数服役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，就可以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为[1]。基于此，20世纪末中科院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化”(Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既

973项目申报书——2009CB930400-纳米结构材料的程序化组装

项目名称：纳米结构材料的程序化组装 首席科学家：宋卫国中国科学院化学研究所起止年限：2009.1至2013.8 依托部门：中国科学院

一、研究内容 （1）赋予纳米结构空间各向异性。各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是程序化组装的基础。为此我们将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸，形貌和表面化学功能调控，选区修饰，不对称粒子等手段引入空间各项异性的方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的技术。 （2）纳米结构单元组装的空间调控：利用作用于纳米结构单元的空间各向异性，研究如何可控地将不同的纳米结构单元组装为初级结构；调控组装体中的组分序列和空间构型；设计和构建异质界面，在纳米结构单元之间引入对外界环境刺激敏感的生物或合成大分子；控制纳米结构组装体作为一个整体的性能。 （3）纳米结构单元的动态组装与过程调控：通过精细地调控在纳米结构单元之间的排斥力和吸引力的平衡，在纳米结构单元间始终保持一个可控且较强的排斥力，实现纳米结构单元的组装的动态化。此外，利用各种界面作模板诱导纳米结构的组装，界面的动态特征也将用于强化实现纳米结构的动态组装。利用外加场（光，电，磁），对纳米微粒的组装在过程乃至时间上实施调控。将通过空间受控组装制得的初级纳米结构，程序化组装为多维度多层次的纳米结构组装体。在特定区域引入特定组装功能，将其可控集成在器件单元上；将不同纳米结构组装体集成在一起，搭建多级多层次，功能可调，宏观可用的功能材料。 （4）研究组装过程与组装体的能量传递和物质传输：发展实时监控纳米组装单元和各级组装体的原理和方法。通过对纳米结构的组装过程的动力学和热力学的研究，从纳米结构单元层面上认识组装过程中物质能量转化与界面行为，获得其中物质能量转化与界面行为的基本规律。通过组装体的结构，调控在组装体中物质传输和能量传递，以适应不同应用过程的需要。借鉴超分子合成和组装以及生物大分子程序化组装过程中的能量传递和物质传输规律，发展纳米层次的组装物理化学。通过对组装过程规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的功能材料，发展全新的材料性能； （5）纳米结构材料的规模化制造与应用：程序化组装，特别是动态组装可以显著地降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于规模化地制备纳米结构材料，因此我们将探索一些纳米结构材料程序化组装方法的规模化。同时，以应用需要为导向来设计材料，在光学材料，离子通道，分子扩散，催化等不同应用领域，设计相应的组装路线。通过设计材料—〉程序化自组装得到材料—〉应用实践检验材料—〉修改完善设这样一个螺旋上升的过程，为一些应用过程发展高性能的材料。 上述研究内容覆盖了纳米结构程序化组装过程中四个层次：纳米结构单元的设计，初级纳米结构的空间受控组装和多级纳米结构的动态可控组装，组装过程和组装体中物质传输和能量传递规律，以及纳米结构的集成和应用，可望为纳米结构材料的设计和应用奠定坚实基础。

纳米材料特性

《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ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，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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和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分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m

金属表面纳米化

表面自身纳米化及其研究进展 摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。 关键词：表面自身纳米化；性能；应用 前言 很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。实现材料的表面纳米化。将是一个非常有潜力的领域。近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。为材料表面改性开创了新的途径。 表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。1999年，h等?提出了金属材料表面自身纳米化(Suface

Self-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。 2 表面纳米化的基本原理与制备方法 在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8] 表面涂层或沉积，表面自身纳米化和混合方式。 表面涂层或沉积，首先制备出具有纳米尺度的颗粒再将这些颗粒固结在材料的表面在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。这种材料的主要特征是纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀表层与基体之间存在着明显的界面材料的外形尺寸与处理前相比有所增加。 表面自身纳米化，对于多晶材料采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能使粗晶组织逐渐细化至纳米量级这种材料的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大纳米结构表层与基体之间不存在界面与处理前相比材料的外形尺寸基本不变。表面自身纳米化技术与表面自身纳米化材料有很多独特之处：首先，表面自身纳米化采用常规的表面处理方法(或者对常规的处理方法进行略微的改造)即可实现，在

973项目申报书——2009CB623100-水泥低能耗制备与高效应用的基础研究

973项目申报书——2009CB623100-水泥低能耗制备与高效应用的基础研究

项目名称：水泥低能耗制备与高效应用的基础研究首席科学家：沈晓冬南京工业大学 起止年限：2009.1至2013.8 依托部门：中国建筑材料科学研究院

一、研究内容 围绕水泥生产和应用过程的各个环节开展提高水泥性能和节能减排的基础研究，实现水泥科学理论和技术的重大创新，促进水泥工业生产与产品结构调整、提高使用效能，提高能源与资源利用效率。 项目拟解决4个关键科学问题： 1)高介稳阿利特微结构调控及高胶凝性熟料相匹配 高介稳阿利特矿物和水泥熟料矿相匹配决定熟料性能。在研究熟料矿物微结构及其形成机制基础上，建立熟料微结构与熟料性能的关系。该问题是提高和高效发挥熟料性能的基础，也是降低熟料烧成热耗的关键。 2)熟料分段形成动力学 针对熟料形成过程中的多阶段化学反应，在分析研究主控反应动力学和熟料形成速率基础上，完善熟料形成动力学理论。该科学问题，是实现熟料烧成过程能量最佳配置，降低熟料烧成能耗的基础和重要途径。 3)离心力场中的粉磨动力学与能量传递 完善该动力学理论和能量传递机制，是实现水泥粉磨环节节能和发展高效粉磨设备新技术的理论基础，也是实现水泥粉磨节能技术突破的关键。 4) 水泥优化复合与结构稳定性 优化复合水泥组分，建立水泥浆体不同层次结构的形成机制以及浆体结构与稳定性的关系。该科学问题是高效发挥水泥各组分性能及延长水泥基材料服役寿命的基础。 围绕上述关键科学问题，本项目将从以下6个方面开展研究： 1)高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成与胶凝性的关系

系统研究实验室合成的纯C3S相结构、不同阿利特（杂质元素种类、掺量、掺杂方式不同）相结构以及熟料中阿利特化学组成、杂质固溶形式、工艺参数与结构之间的关系。研究矿物相结构在温变过程中演化规律。研究掺杂离子、工艺参数对阿利特缺陷形态的影响规律。研究阿利特介稳程度、缺陷形态对其水化活性的影响，建立高介稳阿利特微结构与水化活性--包括水化反应程度、水化反应速度等参数之间的关系，揭示最优水化活性的阿利特组成和微结构缺陷特征。 研究掺杂物质作用下熟料形成过程中的化学反应规律，优化矿物相匹配。阐明高温液相特性（如数量、组成和粘度等）的演变规律，确定硅酸盐水泥熟料的石灰饱和系数、硅酸率、铝氧率及掺杂新相的控制参数。研究熟料中矿物相匹配与烧成热耗和胶凝性能的关系，确定熟料中C3S与其它矿物的最佳匹配，获得高胶凝性熟料。 2)熟料分段形成动力学及过程控制 研究原料矿物分解产物的反应活性，确定新生物相初始形成反应的温度重叠区和反应速率。研究固相反应过渡产物及其与温度场的关系，分析固相反应的放热效应。研究熟料形成固－液相反应热焓互补机制。研究不同热、动力学过程条件下，高温熔体性质及其变化规律，确定高温熔体量、组成、黏度对熟料矿物、结粒和窑皮形成的影响。确定离子的扩散过程及其控制因素，分析阿利特相的晶核形成过程及生长机理，确定最佳的反应热、动力学参数。研究快速形成的水泥熟料微观结构及其宏观力学性能，解析组成、结构、性能之间的关系，提高水泥熟料的综合性能。 通过冷、热态试验和计算机模拟，研究在悬浮态下进行的快速物理化学过程和热、动力学机制。研究在窑尾系统进行预烧结的方法，研究堆积态下窑内的传热过

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念： （1）关于颗粒及颗粒度的概念 （i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 （ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。 （iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 （iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。 （2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式） 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

材料表面纳米化研究现状

金属材料表面纳米化研究现状 摘要：金属材料的表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。通过对表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性的综述,提出要实现这种新技术的工业应用需要解决的问题，如影响因素，表面纳米化形成动力学等。 关键词：表面纳米化；金属材料；研究现状 1、介绍 表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，它是先进制造技术的重要组成部分，同时又可为先进制造技术的发展提供技术支撑。表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能[1-3]。 从19世纪80年代表面工程的诞生到现在，经历了三个发展阶段，第一代表面工程是指传统的单一表面工程技术，包括热喷涂、电刷镀、、激光熔覆、PVD(物理气相沉积)技术、CVD(化学气相沉积)技术以及激光束、离子束、电子束三束表面改性等[4-5]。第二代表面工程又称复合表面工程，是指将两种或多种传统的表面技术复合应用，起到“1+l>2”的协同效果[6]。例如，热喷涂与激光(或电子束)重熔的复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，多层薄膜技术的复合等。第三代表面工程即纳米表面工程，是指纳米材料和纳米技术有机地与传统表面工程的结合与应用。 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。简言之，纳米表面工程就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合并开发应用[7-9]。 在服役环境下，金属材料的失效多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为。与其它纳米材料制备方法相比，表面纳米化技术

973项目申报书——2009CB930100-纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用

项目名称：纳米生物材料的合成、组装及在生物医 学领域的应用 首席科学家：李峻柏国家纳米科学中心 起止年限：2009.1至2013.8 依托部门：中国科学院

一、研究内容 拟解决的关键科学问题 本项目研究的主要关键科学问题是：通过模拟生物膜的结构与功能，利用分子组装技术制备具有纳米孔隙的生物材料，研究它们在生物体中的兼容性，作为药物支架如何担载和释放药物及在体外的稳定性，确定其作用机理和影响因素；探索组装的生物材料在生物体中的状态与排除功能，建立合成体系与生物体之间的联系与作用机制，研究其代谢过程，具体地： 1.通过模拟生物膜（生物相容的磷脂/蛋白质复合双层囊泡）研究和揭示细胞膜 和其它生物膜的精细结构、生物功能及其相互关系； 2.分子组装，纳米模板合成和气/液界面相分离等组装单元的结构特征、组装过 程、驱动力、影响因素和调控技术； 3.处于这些组装体中的生物活性物质的状态和功能评价，它们与组装体之间的 相互作用和影响，寻求保持其生物活性的措施； 4.这些具有生物功能的组装体进入人体后的有益效果、作用机制、代谢过程和 可能危害。 考虑到各课题研究的具体对象、问题和目标不同，除上述共同的关键科学问题外，还各有其特殊的科学和技术问题要解决： 1.纳米孔隙的药物载体：构造生物兼容、生物降解的多功能化胶囊，包裹不同 类型药物的最佳方法及药物的缓释；生物界面化胶囊及包裹药物胶囊的靶向释放，不同的类型中空胶囊作为药物和基因载体；智能化微胶囊的构造以及可控性研究；负载药物微胶囊的体外细胞试验及动物试验；多功能微胶囊用于药物载体的包裹和释放机理研究。 2.红血球替代物 聚合物/血红蛋白纳米胶束（胶囊）：官能化乳酸共聚物的 设计与合成，保证在水环境中实现自组装形成纳米胶束或胶囊；引入含有易与血红蛋白反应的官能团，保证反应不影响血红蛋白中的血红素活性中心； 反应基团有足够数量，保证组装体中有足够的血红蛋白浓度；构筑聚合物/

关于卢柯课题组纳米材料的综述

关于卢柯课题组纳米材料的综述 摘要：本文对卢柯教授所在的纳米材料研究团队的主要成员、研究方向、所获奖项及研究成果等方面进行了总结。卢柯教授所在的纳米材料研究团队的研究方向之一为金属纳米材料的制备与加工，微观结构的表征，力学性能，物理性能，热稳定性，以及相变。 关键词：卢克课题组、微观结构表征、力学性能、物理性能、热稳定性、相变1、引言 卢柯教授所在的纳米研究团队的研究方向是金属纳米材料的制备与加工，微观结构的表征，力学性能，物理性能，热稳定性，以及相变。卢柯，生于1965年5月，九三学社社员。原籍河南汲县，生于甘肃华池。研究生学历，工学博士学位，著名材料科学专家，中国科学院院士，中国科学院金属研究所原所长、研究员，上海交通大学材料科学与工程学院院长。主要从事金属纳米材料及亚稳材料等研究。获国家专利6项，国际专利1项；多次在国际会议上作特邀报告；国际《材料科学与工程评论杂志》特邀为其撰写长篇综述论文并发表了专刊。在国际重要学术刊物上发表论文150余篇；2010年在Nature上发表了一篇关于金属的未来的一篇文章；并且在science上也发表了多篇文章，2003年，《科学》上发表了卢柯等人的一项最新科研成果：将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，其氮化温度显著降低，从而为氮化处理更多种材料和器件提供了可能。这是卢柯科研小组取得的又一个突破性进展，被评为 2003 年中国十大科技进展之一。2004年，在《科学》杂志上发表了采用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径获得了同时具有超高强度和高导电性的铜。而按照以往的经验，对铜进行强化以后，会使其导电率有所下降。这一成果的创新性在于，把难以统一在一起的性能统一在了一起。2013年又在《科学》杂志上发表了在金属中发现超硬超高稳定性新型纳米层片结构。他杰出的研究工作已经使他获得了无数的奖项。其中包括：2013年入选“万人计划”杰出人才。 2011年荣获德国洪堡研究奖（Humboldt Research Award）；获国际亚稳及纳米材料年会金质奖章和青年科学家奖；第三世界科学院技术奖；国家自然科学奖三等奖；中国科学院自然科学奖一等奖、二等奖；中国科学院青年科技奖；全国劳动模范和先进工作者；何梁何利基金技术科学奖；香港求是基金会杰出青年学者奖等荣誉。身为中科院金属所所长的卢柯把他的工作描述成：我是个班长，领着团队在做事。卢柯认为，现在是中国各个领域发展

纳米结构与纳米材料25个题目+完整答案

1.什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考虑） 2.纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。 3.纳米材料的常用的表征方法有哪些？ 4.用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？ 5.纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？ 6.在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？ 7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的？ 8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度？ 9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer 方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时所用的 = 1.5406?，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写出公式并根据图中的数据来计算）。 10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、反应介质、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、并介绍这种物质的至少两种晶相。 11.举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。 12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？ 13.什么叫化学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。 14.纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催化有哪些具体应用 15.利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么？有何优、缺点？ 16 何为“自催化VLS生长”？怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂？ 17.液相合成金属纳米线，加入包络剂(capping reagent)的作用是什么？ 18.何为纳米材料的模板法合成？它由哪些优点？合成一维纳米材料的模板有哪些？ 19.试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程 20.从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质，它有哪些主要的应用前景？ 21.如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率？ 22.试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。 23.比较极紫外光刻技术和X射线光刻技术的异同。 24.何为纳米材料的自组装？用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成部分？ 25 何谓“取向搭接Oriented attachment”“奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening”?