微纳米材料
其应用
纳米材料定义
?1959 年, 美国著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynman 曾说过: 我深信当人们能操纵细微物体的排列时, 将可以获得极其丰富的新的物质性质。如今, Feynman 的梦想终于在纳米材料中得到实现。
?尺寸在0. 1nm 到100nm之间, 处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子称为纳米材料或超微粒。
纳米材料制备历史
?20 世纪80 年代初, 德国科学家Gleiter提出纳米晶体材料的概念, 并采用人工制备首次获得纳米晶体。
?1987 年美国Argon 实验室Siegles 等采用惰性气体蒸发原位加压的方法, 制备?了纳米级TiO2 陶瓷材料。
?到20 世纪90 年代, 人工制备的纳米材料已达百种以上。
纳米材料特性
?表面效应
?小尺寸效应
?量子尺寸效应
?宏观量子隧道效应
小尺寸效应
?当纳米材料的晶体尺寸与光波波长、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、热和电磁等特征会出现小尺寸效应。
?例如: 纳米银的熔点为373K, 而银块则为1234K。纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12 倍。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数不多不少, 其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体, 而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次( 即小尺寸效应) 对材料的物性起着决定性作用。
表面与界面效应
?纳米材料的颗粒尺寸小, 位于表面的原子所占的体积分数很大, 产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小, 比表面积急剧加大, 表面原子数及比例迅速增大。
?例如, 粒径为5nm时, 比表面积为180m2/ g, 表面原子的比例为50%; 粒径为2nm时, 比表面积为450m2/ g, 表面原子的比例为80%。
?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, 导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷, 使这些表面具有很高的活性, 特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子
的活性不但引起纳米粒子表面输运和构
型的变化, 同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。
量子尺寸效应
?粒子的尺寸减小到某一尺寸时, 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散
能级, 对于纳米颗粒, 由于所含电子数少, 能级间距不再趋于零, 从而形成分立的能级。一旦粒子尺寸小到使分立的能级间
隔大于热能、磁能、电能和光子能量等
特征能量时, 则引起能级改变、能隙变宽, 使粒子的发射能量增加, 光学吸收向短波方向移动, 直观上表现为样品颜色的变化。
例如: CdS 颗粒由黄色变为浅黄色。出现这种现象叫做量子尺寸效应。
宏观量子隧道效应
?量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的, 解释粒子能够穿越比总能量高的势垒, 这是一种微观现象。
?近年来, 发现一些宏观量( 如微颗粒的磁化强度和量子相干器的磁通量等) 也具有隧道效应, 称为宏观量子隧道效应。对于纳米颗粒这一特性的研究, 对发展微电子学器件将具有重要的理论和实践意义。
纳米材料应用领域
?正是由于以上各种效应引起的奇异力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特征,使其在国防、电子、核技术、冶金、航空、轻工、医药等领域中具有重要的应用价值, 从而掀起了纳米材料制备和研究的高峰。
纳米材料的应用
?纳米材料由于其产生的特殊效应, 因而具有常规材料所不具备的性能, 使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法, 而是多学科和多种研究方法的综合利用。
结构材料
?纳米结构材料的研究兴起于20 世纪80 年代, 主要是对纯金属纳米材料进行研究。?现在已由纯金属向多元合金以及纳米复合材料方向发展。纳米复合材料通常定义为在多元复合组成中, 至少有一种固相处于纳米尺度范围内。
例如纳米陶瓷材料也为人们所关注的重要结构材料之一, 纳米复合陶瓷, 因其优异的耐高温、高强度等性能, 有望应用于高温发动机中, 其燃料热效率可望增加一倍, 且燃烧完全, 污染降低。
光学材料
?1990 年秋, 英国皇家信号与雷达研究所的坎汉报导了他从多层硅层中获得可见光谱内的光致发光。
?控制硅粒的尺寸, 改变其能级达到产生一定波长光波的目的。如将硅置于Y 型沸石的超笼中, 1. 3nm的纳米硅粒, 在室温条件下可以发出橙红色的光谱。
?纳米SiO2 光学纤维对波长大于600nm 的光的传输损耗小于0. 01db/ m, 此值比体材料的光传输损耗小许多倍。
?纳米红外反射材料在灯泡工业上有很好的应用前景。
?利用纳米材料对紫外的吸收特性而制作的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体的损害, 而且可以提高灯管的使用寿命。?作为光存储材料时, 纳米材料的存储密度明显高于体材料。
催化材料
?纳米材料作为新一代催化剂倍受国内外重视。例如在火箭固体燃料中掺入铝的纳米颗粒, 燃烧效率可提高若干倍。近年来的发展方向是纳米复合化, 例如氟石结构的纳米CeO2-x与Cu 组成纳米复合材料, 可用于汽车尾气中排放出来的SO2、CO 的消除。
气敏材料
?纳米材料同样可作为高效的气敏材料, 这是因为气敏材料的基本要求是对吸附气体有快速的反应, 吸附后能改变其物理性质, 且反应可逆, 能再生, 而纳米材料的高比表面积正是增进气体元件灵敏度的重要原因。
?例如Pd 是一种很好的气敏材料, 若将10~ 15nm 的Pd 纳米颗粒压制成薄片, 其致密度不可能很高, 有很好的孔洞, 易于实现固气反应, 提高灵敏度。
纳米材料的特性及相关应用
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
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
最新纳米材料的背景、意义资料
纳米知识介绍 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。 纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， ?纳米复合薄膜(0-2复合)。 第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。 图1 纳米颗粒材料SEM图 一、纳米材料的基本特性
由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。 4、磁学性质 当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
纳米材料在现实生活中的应用
纳米材料属于纳米技术中的一种，是一种很特殊的材料。物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米材料指的就是这种尺度达到纳米单位的、具备特殊性能的材料。它在现实生活中的应用广泛，包含以下几点： 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳
米材料的延展性的高性能陶瓷。 3、纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。 4、纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 5、纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。 利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，然后生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能
纳米材料与技术- 纳米微粒的基本特性
第三章纳米微粒的基本特性 一、纳米微粒的结构 二、纳米微粒的基本特性 热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能 一、纳米微粒的结构 纳米态：物质的第?态！ 区别于固、液、气态，也区别于“等离子体态”（物质第四态）、地球内部的超高温、超高压态（物质第五态），与“超导态”、“超流态”也不同。 纳米态的物质一般是球形的。物质在球形的时候，在等体积的条件下，它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高，有着很好的强关联性。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。 纳米微粒一般为球形或类球形，可能还具有其他各种形状（与制备方法有关）。 纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，内部的原子排列比较整齐，但有时也会出现很大的差别：高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。 二、纳米微粒的基本特性 1. 纳米微粒的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 大块Pb的熔点为600K，而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。 Ag的熔点：常规粗晶粒为960?C；纳米Ag粉为100?C Cu的熔点：粗晶粒为1053?C；粒度40nm时为750?C 纳米微粒的熔点降低：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全、活性大，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多，使纳米微粒的熔点急剧下降。 ?应用：降低烧结温度。纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。（烧结温度：指把粉末先用高压压制成形、然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块、密度接近常规材料的最低加热温度。） 2. 纳米微粒的磁学性质 材料磁性的分类 ①抗磁性（Diamagnetism） ②顺磁性（Paramagnetism） ③铁磁性（Ferromagnetism） ④反铁磁性（Antiferromagnetism） ⑤亚铁磁性（Ferrimagnetism） 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒（实质上是一个生物磁罗盘），使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。小尺寸的超微颗粒的磁性与大块材料的有显著不同。 i) 超顺磁性：纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，这时磁化率χ不再服从常规的居里-外斯定律。 例如:α-Fe、Fe3O4和α-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm 和20nm时变成顺磁体。Ni粒径小于15nm时，矫顽力Hc→0，说明进入了超顺磁状态。 不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。
铁基纳米材料的合成,性能及在环境中的应用
铁基纳米材料的合成，性能及在环境中的应用 摘要：由于纳米级金属材料的特殊性能，人们开始对研究其在环境工程中的应用的研究越来越感兴趣。本文是一篇关于铁的纳米材料环境中的应用的综述文献，它们在水、废水处理以及空气污染控制中的应用。详细讨论了纳米铁基颗粒在环境中的应用，包括去除含氯有机物、重金属及无机物。 关键词：环境应用，纳米颗粒，性能 一引言 米级金属材料是指有着纳米级颗粒和结构，大小范围在在1到100nm的金属。近期的研究表明许多这些材料的性质取决于其在纳米级机制的颗粒大小【1】。此外，纳米材料的结构也同样会导致其物理化学性质新奇重大的变化。例如，磁性材料的强大磁力会发生改变【2】，表面反应和催化性能得以提高【3】，机械强度会增加五倍甚至更多【1】。在结构问题上，纳米颗粒的表明效应极其重要。例如，当从微米颗粒缩小至纳米级范围时，微晶的表面化学会下降，并且会发现它们独特的化学反应。同样，它们巨大而独特的比表面积使得纳米颗粒在宏观尺度产生表面能，因此会影响它们的综合性质。对于3mn左右的特定纳米球形颗粒，大约有50%的原子或电子是在表面，使得其控制综合性质成为可能。因此，表面结构的最优化可能有效提高纳米颗粒的整体行为。 在环境中的应用，铁基纳米材料被证明是清洁受污染土壤和地下水非常有效的工具。由于铁基纳米材料粒径较小，因此其比传统的铁粉活性更高，且可在溶液中分散并很容易直接泵送至污染区。铁元素本身没有毒性效应，考虑到它是地球上含量最丰富的金属之一，当暴露于空气中，铁元素会被氧化成砖红色的氧化铁，当有机污染物如TCA，TCE，PCE或四氯化碳等有机化合物遇到氧化铁时，会被降解成为简单的低毒含碳化合物。此外，氧化的铁可以还原重金属如铅、镍或汞等成为不可溶形式，使其能够锁在土壤中。因此，本文详细阐述详细讨论了纳米铁基材料的制备、性能以及其在环境中的应用。 二在环境中的应用 与微米颗粒相比，由于具有高的比表面积和更多的表面反应点，纳米级铁级颗粒有着更高的反应率。而且，由于它们可以在悬浮液中保持，纳米铁颗粒可以注入进污染的土壤、沉积物和蓄水层中。但由于纳米铁颗粒的聚合性，其很难在悬浮液中稳定存在。Schrick 等认为碳能够有效抑制聚合并纳米铁颗粒的传输性【4】。许多报告显示纳米铁已经被用作补救地下水、土壤和空气的通用材料，不管是在实验室还是在野外规模。同样也有报道称纳米铁可以与多种环境污染物有效反应，包括含氯有机物、重金属以及无机物。可被纳米铁降解的常见环境污染物在表1中有列举。
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、比热容和所含电子的奇、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，使这些原子易和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，它们和旋错、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。位错和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
微纳米生物技术及其在药物研发方面的应用续
微纳米生物技术及其在药物研发方面的应用（续） （7）生物分子马达 (Biomolecular Motors) ：分子马达是一种分子机械，它是分子尺度（纳米尺度）下的一种复合体，能够作为机械零件的最小实体。驱动方式是透过外部的刺激（如化学、电化学、光化学等方法），使分子结构或模型发生较大变化，且这种变化是可以被控制及调整，具有可预期的规则性，进而使整个体系在理论上具有对外机械作功的可能性。由于马达是机器运转的核心，若将生物分子马达利用微机电技术再接上其它东西，可制造出纳米机器人等。生物分子马达的相关研究，目前遭遇到的最大困难在于作用时的稳定性问题，这些生物分子仅能够在狭窄的温度范围与离子强度下运作，在有机溶液或空气中都无法作用。 （8）核酸计算机 (DNA computer)：DNA计算机的应用原理是基于DNA分子中的密码相当于数据的储存，DNA分子间可以在酵素作用下瞬间完成生化反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为输入数据，反应后的基因代码即为运算结果。DNA计算机运算速度极快，几天的运算量就相当于计算机问世以来的总运算量，储存容量也非常大，超过目前所有计算机的储存量，但所耗的能量极低，只有一台普通计算机的十亿分之一。 其中将微纳米技术应用到药物研究中治疗一些疾病是最受人们关注的，在近期的研究中，研究人员利用TD微纳米生物芯片中医消融法，推动了甲状腺结节治疗技术发展。甲状腺结节是甲状腺专科常见的内分泌疾病，在我们日常忙碌的生活中甲状腺结节一般情况下都是因为甲亢治疗不及时所引发的，这种情况下患者很难通过自己观察发现，通过常规体检会检查出甲状腺结节病发，不同程度病
铁基纳米晶合金
铁基纳米晶合金 为了得到对共模干扰最佳的抑制效果，共模电感铁芯必须具有高导磁率、优良的频率特性等。从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料，它具有极佳的频率特性和低成本的优势。但是，铁氧体也具有一些无法克服的弱点，例如温度特性差、饱和磁感低等，在应用时受到了一定限制。 近年来，铁基纳米晶合金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。铁基纳米晶合金的制造工艺是：首先用快速凝固技术制成厚度大约20－30微米的非晶合金薄带，卷绕成铁芯后经过进一步加工形成纳米晶。与铁氧体相比，纳米晶合金具有一些独特的优势： 1.高饱和磁感应强度：铁基纳米晶合金的Bs达1.2T，是铁氧体的两倍以上。作为共模电感铁芯，一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和，否则电感量急剧降低。而在实际应用中，有不少场合的干扰强度较大（例如大功率变频电机），如果用普通的铁氧体作为共模电感，铁芯存在饱和的可能性，不能保证大强度干扰下的噪声抑制效果。由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度，其抗饱和特性无疑明显优于铁氧体，使得纳米晶合金非常适用于抗大电流强干扰的场合。 2.高初始导磁率：纳米晶合金的初始导磁率可达10万，远远高于铁氧体，因此用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，对弱干扰具有极好的抑制作用。这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适用。在某些特定场合（如医疗设备），设备通过对地电容（如人体）造成泄漏电流，容易形成共模干扰，而设备本身又对此要求极严。此时使用高导磁率的纳米晶合金制造共模电感可能是最佳选择。此外，纳米晶合金的高导磁率可以减少线圈匝数，降低寄生电容等分布参数，因而将由于分布参数引起的在插入损耗谱上的共振峰频率提高。同时，纳米晶铁芯的高导磁率使得共模电感具有更高的电感量和阻抗值，或者在同等电感量的前提下缩小铁芯的体积。 3.卓越的温度稳定性：铁基纳米晶合金的居里温度高达570oC以上。在有较大温度波动的情况下，纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体，具有优良的稳定性，而且性能的变化接近于线性。一般地，纳米晶合金在－50oC----130oC的温度区间内，主要磁性能的变化率在10%以内。相比之下，铁氧体的居里温度一般在250oC以下，磁性能变化率有时达到100%以上，而且呈非线性，不易补偿。纳米晶合金的这种温度稳定性结合其特有的低损耗特性，为器件设计者提供了宽松的温度条件。而图3为不同材料的饱和磁感应强度的温度特性。
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
微纳米材料
其应用
纳米材料定义 ?1959 年, 美国著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynman 曾说过: 我深信当人们能操纵细微物体的排列时, 将可以获得极其丰富的新的物质性质。如今, Feynman 的梦想终于在纳米材料中得到实现。 ?尺寸在0. 1nm 到100nm之间, 处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子称为纳米材料或超微粒。
纳米材料制备历史 ?20 世纪80 年代初, 德国科学家Gleiter提出纳米晶体材料的概念, 并采用人工制备首次获得纳米晶体。 ?1987 年美国Argon 实验室Siegles 等采用惰性气体蒸发原位加压的方法, 制备?了纳米级TiO2 陶瓷材料。 ?到20 世纪90 年代, 人工制备的纳米材料已达百种以上。
纳米材料特性 ?表面效应 ?小尺寸效应 ?量子尺寸效应 ?宏观量子隧道效应
小尺寸效应 ?当纳米材料的晶体尺寸与光波波长、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、热和电磁等特征会出现小尺寸效应。
?例如: 纳米银的熔点为373K, 而银块则为1234K。纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12 倍。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数不多不少, 其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体, 而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次( 即小尺寸效应) 对材料的物性起着决定性作用。
纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究
项目名称：纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能 研究 首席科学家：姜开利清华大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容 本项目拟解决的关键科学问题是： 1、纳米材料单元构筑宏观尺度纳米材料体系的界面结构控制 (1)不同材质纳米结构单元界面结构的设计和构筑方法 (2)不同尺寸和维度纳米结构单元组合的原理 2、不同纳米材料单元组装后性能演变和调控 (1)纳米材料单元组装后性能变化的机理和优化的方法 (2)多尺度单元组合对性能的影响以及单元耦合所产生的新功能 3、宏观尺度纳米材料体系中电子、光子和能量传输的新规律 (1)异质界面电子、光子和能量传输的新规律 (2)纳微尺度下的界面效应对性能的调控 4、宏观尺度纳米结构服役过程中的性能稳定性 (1)对外场的响应 (2)结构稳定性和性能稳定性的关系 以解决上述科学问题为核心，本项目的主要研究内容是： 1、不同材质纳米结构单元界面结构的设计，多元异质宏观尺度纳米结构单元构筑的新原理和新方法，包括从纳米结构单元的制备，纳米结构单元组合成微米结构，到由微米结构构筑宏观尺度的材料体系，发展不同尺度、不同维度纳米单元构筑宏观尺度纳米材料体系的新技术。构筑宏观尺度纳米材料体系的单元材质为：(a)半导体/金属肖特基结；(b)磁性/非磁性、磁性/铁电组合体；(c)碳管、碳管束和其他碳纳米结构单元。 2、纳米材料单元组装后性能变化的机理和优化的方法，宏观尺度纳米材料体系中纳米单元的耦合效应产生的新现象和新性能。主要研究内容为：碳纳米管与金属、高聚物复合体系界面的耦合效应，半导体量子点和贵金属纳米线异质界面耦合和光传输行为，肖特基结能量传递(光→电)，磁性/非磁性和磁性/铁电性复合纳米单元界面耦合效应及能量传递的新规律(电→磁、磁→光)。通过耦合尺度效应的研究实现纳米单元组成的宏观尺度体系的综合性能的调控和优化。 3、宏观尺度纳米材料体系中异质界面对电、光、磁性能调控和输运性质的影响，能量传递和转化的新规律，探索其可能的应用。主要研究内容为：磁性/铁电复合纳米单元之间能量传递和转换的新规律(电→力、力→磁)，实现增强电控磁效应的最佳条件，探索基于磁性/铁电复合纳米单元的电控磁存储技术，以纳微光学器件为导向，研究半导体量子点、金属纳米线等组合单元协同传递光子的行为，通过尺度效应和耦合效应的研究，探索能量传输、转换的新规律，发展基于纳米材料的红外波段探测器件，研究红外示范探测器件性能的稳定性。 4、宏观尺度纳米材料体系的结构性能关系及其在服役过程中的性能稳定性，主要研究内容为：研究复合纳米材料体系中，界面结构和特性对宏观性质的影响，探索提高材料综合性能的途径，研究碳纳米结构复合材料在外场作用下材料性能的变化与纳微结构的关系，能量和物质转化和传输的规律，服役条件下材料和结构的稳定性，探讨在高性能储能器件中的应用。
纳米材料新进展及应用
纳米材料应用的新进展 来源：全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数， 理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀
纳米材料
绪论 1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。 2、纳米材料 （1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因） （2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺； 纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。 （3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等 （4）纳米材料的维度： ○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状） ○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构） ○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构） ○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成） （5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料 ○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料 3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。 4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。 5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。可用于研究半导体、导体和绝缘体。 AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程 分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质 纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征 纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应 纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制； 纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科 纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。 成分：是影响性能的基础 结构：决定材料性能的关键材料 性能：各种物理或化学性质 效能：材料在使用条件下的表现
纳米科学与微纳制造》复习材料.docx
《纳米科学与微纳制造》复习材料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。 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1nm～100nm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1-100nm 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。 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
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米材料
《功能金属材料》课程作业 一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟 班级：0610104 学号：061010418 姓名：刘广通
一、一维ZnO 纳米材料性能 ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。 一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。[1] 目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。 二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景 一维ZnO纳米材料被用于光学器件。因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。2）激子辐射复合发光。纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、