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6.纳米材料

6.纳米材料

第五章纳米材料

纳米和纳米技术

纳米:纳米又称毫微米,是一种长度单位. 把1米分成10亿份,每一份就是1纳米(1nm=10-9m)。蛋白质、DNA、RNA、病毒,都在1~100nm的范围

纳米技术:是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。

第一次产业革命(1734-1834)主导技术:蒸汽机动力变革,热能、机械能

科学基础:牛顿力学、热力学、能量转化原理

第二次产业革命(1835-1914)主导技术:电气化技术,(发电机和电动机、电力传输、无线电通讯)

科学基础:电的发现,电磁理论

第三次产业革命(1945-2010)主导技术:微米技术,微电子技术

科学基础:X射线的发现,放射线的发现,半导体的发现

DNA芯片优点:节省能源,利用资源,优化环境

纳米材料:是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数,纳米材料的基本单元可以分为三类:

(1) 零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等;

(2) 一维,指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,指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。

纳米材料的特性:

A .特殊的光学性质

B .特殊的热学性质

C .特殊的磁学性质

D .特殊的力学性质

E .特殊的电学性质

阻隔性材料

树枝状聚合物模板合成纳米材料

树枝状聚合物为模板合成纳米粒子 摘要:纳米效应使纳米材料在光学、热学、力学、磁学等方面性能都有显著的提高,具有重要的学术价值以及广阔的应用开发前景。本文主要综述了以树枝化聚合物为模板制备纳米粒子的研究现状,分析总结了该方法的优缺点及树枝状聚合物种类、结构、代数浓度及pH值等对纳米粒子的影响,同时对以树枝状聚合物为模板合成纳米粒子的前景进行了展望。 关键词:树枝状,聚合物,模板,纳米粒子 1.简介 树枝状分子由Tomalia[1]于1985年首先合成得到,与一般的线形和支化高分子相比,有一下几个特点:(1)可以在分子水平上精确设计和控制分子的大小和功能基团;(2)具有三维高度有序,尺寸大小一致的单分子理想的球体结构,分子量分布系数为1;(3)具有内部疏松(空腔)、外部致密的结构而且在表面拥有大量功能基团容易实现功能化改性;(4)物性上表现为低粘度高流变不能结晶等。这些特殊的结构和物性使树枝状分子具有多种研究和应用意义,自从它出现以来一直是高分子领域的研究热点之一[2]。 纳米粒子是指尺寸在1-100nm之间的超细微粒,当固体颗粒的大小处于这个范围时,比表面积大、表面原子多、表面能和表面张力随粒径的减小而急剧增大而出现了许多不同于本体固体的独特性质,如量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[3, 4]。纳米粉体的制备方法可分为物理法和化学法,其中化学法主要有微乳液法、化学气相沉淀法、溶胶凝胶法和液相化学、还原法等。由于纳米粒子的比表面积大以及表面能极高,在液相中生成的纳米粒子需要稳定剂以抑制

纳米粒子的聚集。常用的稳定剂有有机配体、小分子表面活性剂和高分子等,其中高分,子稳定剂有聚1,2-亚甲基亚胺(PEI)、聚N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVP)和聚丙烯酸(PAA)等。稳定剂不仅防止纳米粒子的聚沉,同时控制粒子的大小,使用线形高分子稳定剂可以制备直径小于2nm的金属纳米粒子。但缺点是制备的粒子不是有序的原因是线形高分子的分子量的多分散性以及吸附在纳米粒子表面的高分子层的厚度不同。 树枝化聚合物有三维对称的球形结构,且分散系数接近1,分子内存在可容纳纳米粒子的空腔,为以其为模板制备出分布均一、粒径稳定的金属及其化合物纳米簇提供了条件[5]。本文主要综述了以树枝化聚合物为模板制备纳米粒子的研究现状,分析总结了该方法的优缺点及树枝状聚合物种类、结构、代数浓度及pH值等对纳米粒子的影响,同时对以树枝状聚合物为模板合成纳米粒子的前景进行了展望。 2. 树枝状聚合物的模板作用 图1是典型的树枝状聚合物的结构示意图,它从内到外分为核分子、高度支化区和终止基团三部分组成。代数较高时(四代以上)的呈三维球状立体结构,虽然树枝状聚合物自身大小也在纳米范围几纳米到几十纳米内,但仍可利用它的模板作用制备尺寸更小的纳米粒子。树枝状聚合物模板作用的机理可分为配位吸附和空间限制两种,前者是通过被吸附物与树枝状分子球体内部基团或表面基团的吸附配位作用形成被吸附物纳米粒子;后者是利用分子球体的内部有空腔外部致密的特点通过空间限制作用在树枝状的内部空腔内容纳客体纳米粒子内模板作用[6]。

纳米材料的概述

“纳米材料”—开启微观世界之门 1.纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为:在1nm~100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性,通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1~100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次:一个是宏观,另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人,研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究,到20世纪60年代出现了团簇科学,成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中,人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系,即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1~100nm,其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性,而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼(Richard Feynman)在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲,预言说:“我不怀疑,如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词,但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年,日本教授谷口纪男(Norio Taniguchi)在一篇题为:“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米(Nano)。 1981年格尔德?宾宁(Gerd Binnig)和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜,它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法,成功地制备了Fe纳米粉。随后,美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯(fullerenes)(更为人熟知的名称是“布基球(buckyballs),由著名未来学家,多面网格球顶的发明人巴克明斯特?富勒(R. Buckminster Fuller)命名,它可以被用来制造碳纳米管,是如今使

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。

碳纳米材料概述

碳纳米材料概述 名字:唐海学号:1020560120 前言 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成,也可以由异种原子(非碳原子)组成,甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型:碳纳米管,碳纳米纤维,纳米碳球。 近年来,碳纳米技术的研究相当活跃,多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算,包含20个碳原子仅是由正五边形构成的,C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种,考虑到原于间结合的角度、力度等问题,人们一直认为这类分子很不稳定,难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性,被广泛地应用于诸多领域。 分类 (1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢,它的比重是铁的1/4,强力是铁的10倍,除了有高超的强力外,其化学性能非常稳定,耐腐蚀性高,同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域,由于制造成本高,大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维,有高强力的韧性,同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物,可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (3)碳球根据尺寸大小将碳球分为:(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在2—20nm之间),如C60,C70等;(2)未完全石墨化的纳米碳球,直径在50nm 一1μm之间;(3)碳微珠,直径在11μm以上。另外,根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)超强纤维碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点,它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。 (2)材料增强体用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性,能够制备自愈合材料。

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

无机纳米材料简介

无机纳米材料简介 无机纳米材料是纳米材料从物质的类别来划分出的一种纳米材料。指其组成的主体是无机物质。 无机纳米材料主要包括:纳米氧化物、纳米复合氧化物、纳米金属及合金,以及其他无机纳米材料。 一、纳米氧化物: 纳米氧化物指的是粒径达到纳米级的氧化物,比如纳米二氧化钛 (T25),纳米二氧化硅(SP30),纳米氧化锌(JE01),纳米氧化铝(L30),纳米氧化锆,纳米氧化铈,纳米氧化铁等等。 纳米氧化物的基本技术指标包含:粒径,含量,比表面积,pH, 以及一些金属成分的含量。 纳米氧化物在催化领域的应用 纳米催化剂具有表面效应,吸附特性及表面反应等特性,因此纳米催化剂在催化领域的应用十分广泛。实际上,国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。我国目前在纳米材料的研究应用水平在某些方面处于世界领先地位,已实现产业化的SiO2(如VK-SP30)、CaCO3、TiO2(如VK-T25)、ZnO等少数几个品种,这些制备出来的纳米材料在催化领域中主要用于两个方面:一是直接用作主催化剂,二是作为纳米催化剂载体制成负载型催化剂使用。国际现在企业主要有杜邦,德固赛,国内的有杭州万景等企业生产纳米氧化物系列的产品。 2.1 石油化工催化领域 由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制,又由于尺寸小,比表面积大,表面的键态和颗粒内部不同及表面原子配位不全等,从而导致表面的活性部位增加。另外,随着粒径的减小,表面光滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,这样就增加了化学反应的接触面。利用纳米微粒的高比表面积和高活性这些特性,可以显著提高催化效率。例如,纳米Ni粉可将有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍;超细Pt粉、碳化钨粉是高效的加氢催化剂;在甲醛氧化制甲醇反应中,使用纳米SiO2,选择性可提高5倍,利用纳米Pt催化剂,放在TiO2担体上,通过光照,使甲醇水溶液制氢产率

模板合成法制备纳米材料的研究进展

收稿日期:2006-11-28 江苏陶瓷 JiangsuCeramics 第40卷第3期2007年6月 Vol.40,No.3June,2007 0 前言 纳米微粒因其特有的表面效应、量子尺寸效应、 小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等导致其产生了许多独特的光、 电、磁、热及催化等特性,在许多高新科技领域如陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等方面有广阔的应用前景和重要价值。作为纳米材料研究的一个重要方向,探索条件温和、形态和粒径及其分布可控、产率高的制备方法是这方面研究的首要任务。 目前已经发展了很多制备方法[1],如:蒸发冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法等物理方法和气相沉积法、溶胶-凝胶法、沉淀法、水(溶剂)热法和模板法等化学方法,其中模板法因具有实验装置简单、操作容易、形态可控、适用面广等优点,近年来引起了人们的极大兴趣。 模板法的类型大致可分为硬模板和软模板两大类。硬模板包括多孔氧化铝、二氧化硅、碳纳米管、分子筛、以及经过特殊处理的多孔高分子薄膜等。软模板则包括表面活性剂、聚合物、生物分子及其它有机物质等。利用模板合成技术人们已经制得了各种物质包括金属、 氧化物、硫化合物、无机盐以及复合材料的球形粒子、一维纳米棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等各种形状的纳米结构材料。本文将简要介绍近年来国内外利用模板法制备纳米结构材料的一些进展[2]。 1 硬模板法制备纳米材料 这种方法主要是采用预制的刚性模板,如:多孔 阳极氧化铝膜、二氧化硅模板法、微孔、中孔分子筛(如MCM-41、SBA-15等)、 碳纳米管以及其它模板。1.1多孔阳极氧化铝法 多孔氧化铝膜是近年来人们通过金属铝的阳极 电解氧化得到的一种人造多孔材料,这种膜含有孔径大小一致、 排列有序、分布均匀的柱状孔,孔与孔之间相互独立,而且孔的直径在几纳米至几百纳米之间,并可以通过调节电解条件来控制[3]。利用多孔氧化铝膜作模板可制备多种化合物的纳米结构材料,如通过溶胶-凝胶涂层技术可以合成二氧化硅纳米管,通过电沉积法可以制备Bi2Te3纳米线[4]。这些多孔的氧化铝膜还可以被用作模板来制备各种材料的纳米管或纳米棒的有序阵列,如:TiO2、In2O3、Ga2O3纳米管阵列,BaTiO3、PbTiO3纳米管阵列,ZnO、MnO2、 WO3、Co3O4、V2O5纳米棒阵列以及Bi1-xSbx纳米线有 序阵列等[1]。 1.2二氧化硅模板法 分子筛MCM-41二氧化硅和通过溶胶-凝胶过 程形成的二氧化硅都可用作纳米结构材料形成的模板,其中MCM-41为介孔氧化硅模板,它具有纳米尺寸的均匀孔,孔内可形成有序排布的纳米材料,属于外模板,而溶胶-凝胶法形成的二氧化硅胶粒则属于内模板,在其上形成纳米结构材料,最后二氧化硅用氢氟酸溶解除去。 2002年Froba等报道了在中孔的分子筛MCM-41二氧化硅内部形成有序排布的Ⅱ/Ⅵ磁性半导体 量化线Cd1-xMnxS。2003年Zhao等报道以In(NO3)3为原料,以高度有序中孔结构的表面活性剂SiO2为模板剂和还原剂,采用一步纳米浇铸法合成了高度有序的单晶氧化铟纳米线阵列。2002年Dahne等以三聚氰胺甲醛为第一层模板,利用逐层(LbL)方法制备了PAH/PSS交替多层膜覆盖的三聚氰胺甲醛粒子,在PAH/PSS交替的多层膜上进一步通过溶胶-凝胶方法覆盖上二氧化硅作为第二层模板,再利用LbL方法制备PAH/PSS交替的多层膜,然后用盐酸溶解 模板合成法制备纳米材料的研究进展 黄 艳 (陕西科技大学材料科学与工程学院,咸阳710021) 摘 要 介绍了近年来国内外利用氧化铝、二氧化硅、碳纳米管、表面活性剂、聚合物、生物分子等作模板制备多种物质的纳米结构材料的一些进展。关键词 模板法;纳米材料;合成 1

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

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

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《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

纳米材料研究及检测.

纳米材料研究及检测 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地 概述了纳米技术,纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用,并展望了纳米材料的应用前景。本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。 【关键词】纳米技术;纳米材料;结构;性能;分析方法;表征 前言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性,被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中,具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米科技是未来高科技的基础, 而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此, 纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义 和作用。 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一, 它不仅是研究的对象, 而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。随着纳米材料科学技术的发展, 要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念, 提高其灵敏度、准确度和可靠性, 从中提取更多信息, 提高测试质量、效率和经济性。 纳米材料主要性质有:小尺寸效应[、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。目前表征纳米材料的技术很多,采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法,大体可以分为以下

几种方法。 1.纳米科学和技术 1.1 纳米科技的定义 纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技,是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸(10-9--10-7m)范围内认识和改造自然,最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的,是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。 1.2 纳米科技的内容 纳米科技主要包含:纳米物理学;纳米电子学;纳米材料学;纳米机械学;纳米生物学;纳米显微学;纳米计量学;纳米制造学…… 1.3 纳米科技的内涵 第一:纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是:在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关,它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合,可产生众多的新的学科领域,并派生出许多新

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、

微纳米技术

微纳米技术国内外发展现状 ——————微加速度传感器 MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写,即微电子机械系统。微电子机械系统技术是建立在微米/纳米基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的,目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域,从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。 完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术,该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。 基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。本文基于对微加速度传感器研究现状的综述,探讨了微加速度传感器的发展趋势。 微加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器,其研究与开发始于80年代初,是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。我国从1992年开始致力于微加速度传感器的研究,清华大学、重庆大学、北京大学、东南大学、电子工业部第十三所、中科院上海冶金研究所等单位均开展了各种结构的微型加速度传感器的研究,并取得了一些阶段性成果,但尚未具备批量生产的能力,与产业化相距甚远。 微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类。应用于微加速度传感器的敏感机理很多,目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式(热对流式)、真空微电子式、隧道式、谐振式等形式。

纳米材料论文

学院:机电工程学院 专业年级:2009级机械五班 学生姓名:刘威学号:20091347 指导老师:袁光明

纳米材料与应用 (中南林业科技大学机电工程学院机械专业20091347,湖南长沙,410004)摘要:简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本效应,讲解了纳米材料的特殊性能。分析了新型能源纳米材料中光电转换、热点转换、超级电容器及电池电极的纳米材料;环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等;较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。 关键词:纳米材料,性能,应用。 【Abstract】: Briefly introduces the classification of nanomaterials and its basic effect, explaining the nanometer material the special performance. A new energy nanomaterials analyzed in photoelectric conversion, hot conversion, super capacitors and battery electrodes nanometer material; Environmental purification of nanomaterials photocatalytic, adsorption, exhaust handling, etc.; The more specific about nano biological medicine materials nano ceramic material, nano carbon materials, nanometer high polymer materials, nano composite materials. 【Keywords】: nanomaterials, performance ,the application. 纳米是一个长度单位,1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料,纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时,其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。 按材质,纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。 按纳米尺度在空间的表达特征,纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料(如纳米线、棒、丝、管和纤维等)、二维纳米材料(如纳米膜、纳米盘和超晶格等)、纳米结构材料即纳米空间材料(如介孔材料)。 按形态,纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料(也称纳米块体材料)、纳米膜材料以及纳米液体材料(如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等)。 按功能,纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等)。 当纳米材料的结构进入纳米尺度调至范围时,会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。 表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。随着粒径的减小,纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。表面原子处于裸露状态,周围缺少相邻的原子,有许多剩余键力,易与其他原子结合而稳定具有较高的化学活性。纳米材料中界面原子所占的体积分数很大,它对材料性能的影响非常显著。低温超塑性是纳米材料的一个重要特性,普通陶瓷只有在1 000℃以上,在小于一定的应变速率时才能表现出塑性,而许多纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。而它的塑性变形主要是通过晶粒之间相对滑移而实现的。 而小尺寸效应纳米粒子的熔点可远低于块状本体,此特性为粉末冶金工业提供了新工艺,利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可通过改变颗粒尺寸,控制吸收边的位移,构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料,用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 对于量子尺寸而言,对于晶粒状态难以发光的间接带隙半导体,当其粒径减少到纳米量级时,会表现出明显的可见光发光现象,且随着粒径的进一步减少,发光强度逐渐增强,

微纳米

1.简述纳米和纳米科技的定义。 纳米是长度单位,原称毫微米,就是10的-9次方米(10亿分之一米)。 纳米科技是20世纪90年代发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的领域,近年来在全世界范围得到飞速发展. 2.简述纳米科学技术的特征。 3.磁性纳米微粒主要表现出哪些特性?请说明何为超顺磁性。 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶材料不具备的磁特性. (1)超顺磁性和其他超磁性 超顺磁性:铁磁性的超铁磁性以及具有新磁性特点的超反铁磁性等。当稀释磁材料中的磁团体积和序磁材到可受热扰动影响而呈现混乱排列时,其磁性与具有磁矩原子系统的顺磁性相似,一旦受到外加磁场磁化时,其磁化曲线表现出可逆的磁和矫顽力为零的特点,并且呈现普适磁化曲线,即(M/Ms)——(H/T)曲线可互相重合(其中M为温度T时的磁化强度,H为外加磁场强度,Ms从为温度T时其磁化率也远高于一般顺磁物质的磁化率。故这种磁性称为超顺磁性。 超顺磁状态的起源可归为以下原因:在小尺寸下,当各向异性能减少到与热运动能可相比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化方向作无规则的变化,结果导致超顺磁性的出现。 (2)矫顽力 (3)磁相变温度 (4)磁化率 4.简述纳米微粒主要表现出哪些特殊的光学特性?并选取一个举例说明其应用。 (1)宽频带强吸收例如铂纳米粒子的反射率为1%,金纳米粒子的反射率小于10%。这种对可见光的低反射率、强吸收率导致粒子变黑。利用此特性可把金属纳米微粒薄膜作为高效光热材料、光电转换材料、红外隐身材料,还可以制作红外敏感元件等。 (2)蓝移和红移现象 (3)量子限域效应 (4)纳米微粒的发光埋藏于BaO介质中的Ag纳米微粒产生光致荧光增强现象。 (5)纳米微粒分散物系的光学性质丁铎尔效应 5.纳米固体材料与常规块材料相比,其力学特性有哪些变化? 1.Hall一Petch关系:(1) 正Hall一Petch关系 (2)负Hall-Petch关系 (3)正-负Hall-Petch关系 当组成固体的微粒尺寸进入纳米量级时,力学性质发生明显变化, 出现了常规材料中从未出现的负Han-Petch关系及正-负混合 Han-Petch关系。 2.模量:纳米微晶材料的模量比大块试样的相应值要小得多。 3.超塑性:所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下,产生较大的拉伸形变

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