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。

二、预期目标

总体目标：

本项目的总目标是：在过去研究的基础上，优选和发展具有应用前景的纳米结构单元，发展宏观尺度纳米材料体系的制备方法，揭示纳米单元之间的界面效应和多尺度耦合效应，发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理。以此为基础，设计和制作有明确应用目标、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系，以满足新兴战略产业(IT、新能源和新材料等)的需求。

五年预期目标：

1、构筑出3-4种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系

发展不同材质纳米结构单元界面结构的设计方法，从纳米结构单元的制备→纳米结构单元组合的微米结构→由微米结构构筑宏观尺度的纳米材料体系的技术路线，建立几种不同尺度、不同维度、不同材质的宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法，进而发展几种实用的构筑新技术。制备出3-4种有独特性能的宏观尺度纳米材料体系，包括：异质纳米单元构筑的宏观尺度纳米材料体系，磁性/非磁性纳米单元构筑的宏观尺度纳米阵列，不同维度的碳纳米单元构筑的宏观尺度碳纳米管束、碳纳米阵列、有序网络结构。

2、在基本科学问题上有所突破

宏观尺度纳米材料体系中存在着性质不同的界面和多尺度的耦合效应，因此结构单元间的界面对体系光、电、磁性能的影响是重要的科学问题之一。通过本项目的研究将揭示不同尺度、不同材质的界面特性及其统计规律。揭示不同类型界面结构对性能的影响规律，耦合效应产生的新性能，物质和能量传输的新规律，对外场的响应特性，在服役条件下的性能变化规律及其稳定性。

3、实现3-4种重要应用

(1) 5种宏观尺度碳纳米复合材料。

(2) 基于不同半导体异质结的近红外探测器的原型器件。

(3) 基于碳纳米薄膜的红外探测器、薄膜晶体管的原型器件。

(4) 设计和制备示范的电控磁原型器件。

4、通过项目的实施，培养一支在宏观尺度纳米材料体系制备、性能和应用方面在国内外有影响的创新团队，成就1-2位在本领域的中青年领军人物，撰写1-2本专著，申请发明专利50项，发表SCI论文200篇，争取获得1-2项省部级以上奖励。

三、研究方案

本项目的学术思路：

本项目承担单位是上一个973项目“纳米材料和纳米结构的性能和应用基础”(2005-2010年)团队中的主要研究群体。本项目在以往研究成果、技术积累的基础上，以国家重大需求为牵引，从纳米材料和纳米结构合成、表征及性能研究的成果中，优选和发展具有应用前景的纳米结构单元，发展宏观尺度纳米材料体系的制备方法，实现从纳米结构单元合成的研究转到利用纳米结构单元组装成宏观尺度纳米材料体系的研究。重点揭示纳米单元之间的界面效应和耦合效应，发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理，争取在科学上有所突破，并发展出几种具有特定功能的、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系，为新兴战略产业快速发展做出贡献。

本项目将集中研究有重要应用背景或重大科学价值的宏观尺度纳米材料体系。根据国内外发展趋势和国家“十二五”关于纳米科技领域研究的总体规划，对项目的目标、研究的主要内容和拟解决的关键问题进行了认真的凝练，研究的路线图是：从合成纳米单元转变成由纳米结构单元构筑微米尺度的纳微结构，再由纳微结构构筑宏观尺度的纳米材料体系。以应用需求为导向，制定研究目标，有针对性地制备具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。在对该体系系统研究的基础上，总结出实验条件与该纳米体系的经验关系，建立相关的模型。通过性能优化，为按需设计和制作具有先进功能的宏观尺度纳米材料体系奠定基础。

本项目的研究特点是：1、需求目标牵引明确；2、由单元性能研究为主转向以宏观尺度纳米材料体系的构筑和性能优化为主；3、把不同维度、不同性能、不同材质的纳米单元组合在一起，构筑满足新器件需要的宏观尺度纳米材料体系；4、重点研究宏观尺度纳米材料体系中以界面效应和耦合效应为特征的基础科学问题，为新颖器件设计提供设计思路和科学原理的支持。

本项目的指导思想是，坚持实验和理论并举、基础研究和应用研究并重。针对宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应产生的新性能，物质、能量传递的新规律，阐明纳米结构单元在构筑宏观尺度纳米材料体系过程中的性能演化规律，阐明体系性能与制备条件之间的内在联系，实现对该体系的性能调控和优化。发展研究宏观尺度纳米材料体系的实验方法，总结新原理。在实际应用方面，发展出基于宏观尺度纳米材料体系的储能器件、红外探测器件、碳纳米网络功能复合材料和新型电控磁效应的原型器件。

本项目的技术路线：

以通过深入研究纳米材料与结构的形成机理为基础，揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系。本项目的技术路线为：1、利用制备的纳米材料构成微米尺度的结构(纳微化)，形成具有纳米结构的微米尺度的单元，再由微米尺度的单元构筑成宏观尺度的体系(微宏化)；2、利用自组织生长的宏观尺度纳米阵列或二维网络，结合微加工技术，发展出几种制备宏观尺度纳米材料体系的技术；3、利用构筑的宏观尺度纳米材料所提供的纳-纳、纳-微、微-微结构单元之间不同的界面结构研究它们对性能的影响。采用多尺度耦合的方法，研究宏观尺度纳米材料体系中的界面和耦合效应；4、从宏观尺度纳米材料体系的构筑，到实际应用

中先进器件的制作的过程中，将“自下而上”技术与“自上而下”技术相结合，制备出满足先进器件需求的关键的宏观尺度纳米材料体系，在性能优化的基础上，设计和制作实用化、功能化的示范器件。

与国内外同类研究相比的创新点与特色：

本项目研究组认真总结了上一个973项目的研究成果，分析了当前全球纳米科技的发展动向，凝练了关键科学问题和研究内容，确定了总体研究目标，代表了当今纳米材料研究进一步深化的趋势，实现从单元纳米效应和应用研究为主逐渐向宏观尺度纳米材料体系结构、性能和应用研究转移，为推进纳米材料的应用提供了一个新的途径。

本项目研究的创新之处是，在总结过去研究的基础上，优选了拥有自主知识产权的纳米结构单元材料，根据对制备技术和基础科学问题的理解，提出了切实可行的“自上而下”和“自下而上”相结合的技术路线：利用制备的纳米材料构筑微米尺度的纳微结构，进而制备成宏观尺度的纳米材料体系，以实现性能的调控和稳定化。利用自组织生长的宏观尺度纳米阵列或二维网络，结合微加工技术，制备出具有特定功能的宏观尺度纳米材料体系。

在过去十几年的发展与探索中，国际纳米科技的研究已开始从材料合成制备向相关的性能测试及纳米器件的设计应用上发展。在这一方面，本项目承担单位在上一个973研究的基础上，提出了具有自己特色的从纳米材料单元→纳微结构→宏观尺度纳米材料体系→器件设计和制作的研究路线，这一研究路线图能很好地实现基础和应用的衔接，对推动从材料到器件的跨越式发展能起到积极的作用。特别是，本项目把研究宏观尺度纳米材料体系中界面效应和多尺度耦合效应作为研究重点，通过研究纳-纳、纳-微、微-微结构单元之间界面的结构和耦合性质，实现纳米结构单元性能的保持、调控和优化，获得具有优异性能的宏观尺度纳米材料体系。

课题设置：

依据本项目拟研究的关键问题和主要研究内容，考虑到项目承担单位研究的基础与特点，设置4个课题。

01课题：碳纳米薄膜器件的构筑技术和性能优化

承担单位：清华大学

负责人：姜开利

主要研究内容：

1、利用可控、批量制备的超顺排碳纳米管薄膜和大面积CVD生长的其他碳纳米材料构筑功能化宏观碳纳米材料体系，发展与微电子器件工艺兼容的集成技术以及柔性电子学、光电子学的相关技术。

2、研究功能化宏观碳纳米材料体系构筑和集成过程中出现的碳纳米薄膜与高分子、金属之间以及碳纳米材料之间的界面问题，界面之间的热、光、电耦合效应。研究由于纳微米界面的出现带来的性能演变和稳定性问题。

3、探索碳纳米薄膜在红外探测器、薄膜晶体管、纳米储能器件中的应用。预期目标：

1、发展出与微电子器件工艺兼容的碳纳米薄膜器件集成技术；发展出碳纳米薄膜器件向柔性基底的转移技术。

2、揭示出碳纳米薄膜与高分子、金属、其他碳纳米材料之间的界面热、光、

电传输、转换规律，揭示出这一宏观尺度纳米材料体系的新性能。

3、开发出基于碳纳米薄膜的红外探测器、薄膜晶体管的原型器件。

4、发表SCI论文40篇，申请发明专利20项，培养博士硕士研究生20人。经费比例：28%

02课题：碳纳米结构复合材料的设计和功能特性

承担单位：中国科学院物理研究所、山东大学

负责人：周维亚

主要研究内容：

1、利用已掌握的碳纳米结构(如单壁碳纳米管、连续单壁碳纳米管网络)为基本单元，发展由基本结构单元构筑纳微结构和进一步设计宏观尺度碳纳米复合材料体系(碳纳米结构单元/聚合物或碳纳米结构单元/金属)的新方法；探索不同维度(一维纤维、二维薄膜)、不同材质(碳纳米结构单元/聚合物、碳纳米结构单元/金属、碳纳米结构单元/氧化物)、不同类型界面结构(纳-纳、纳-微、微-宏)的可控制备方法。

2、研究宏观尺度纳米材料复合体系不同界面(纳-纳、纳-微、微-宏)多尺度耦合效应产生的新功能和新效应。通过调控碳纳米结构单元的含量和质量、表面化学修饰与改性、缺陷密度等因素，探索这些因素对新型碳纳米结构单元的功能特性以及对由其构筑的碳纳米复合体系中的界面结构、单元间耦合和综合性能的影响。探索通过调控界面结构和类型，研究纳米尺度力学性能、优异性质在宏观尺度碳纳米复合体系上的保持、传递及其演变等基本科学问题，研究宏观尺度纳米复合体系性能调控和优化的途径。研究不同环境和极端条件下新型碳纳米复合体系的结构与性能的关系及其稳定性。

3、以柔性透明导电薄膜和轻质高性能复合材料的需求为导向，探索宏观尺度碳纳米复合材料的功能特性尤其是纳米尺度结构单元耦合所产生的新性能和潜在应用价值，为相关材料和器件的应用奠定基础。

预期目标：

1、发展1-2种由碳纳米结构单元构筑宏观尺度碳纳米复合体系的技术。获得5种宏观尺度碳纳米复合材料。

2、揭示宏观尺度复合纳米材料体系中界面多尺度耦合效应产生的新性能和机制。

3、设计出新型碳基纳米复合结构，探索宏观尺度纳米复合材料在柔性透明导电薄膜、轻质高强关键部件、超级电容器等方面的应用。

4、通过本项目实施，培养研究生20名。发表SCI文章50篇，申请专利2项。

经费比例：24%

03课题：异质纳米结构单元构筑宏观尺度纳米材料体系的技术和光学性能

承担单位：中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院上海硅酸盐研究所

负责人：费广涛

主要研究内容：

1、多元异质宏观尺度纳米材料体系的构筑。基于已掌握的制备同质纳米阵列的模板法、微模具法和介孔组装技术的基础上，设计、制备半导体/金属、半导体/氧化物异质纳米结构单元或纳微结构。以此为基础，发展宏观尺度纳米材

料体系构筑的新方法，这包括：零维、一维异质复合纳米单元的宏观尺度纳米结构阵列、肖特基结纳米结构阵列、半导体/氧化物宏观尺度纳米结构阵列和宏观尺度碳基/纳米氧化物多孔复合材料。

2、研究宏观尺度纳米材料体系中界面和耦合效应所产生的不同于纳米单元的新光学特性，光子、电子传输的新规律，能量传递、转化的新规律。寻找多元异质宏观尺度纳米材料体系光学性能优化的途径。重点研究肖特基界面对光子传输和光电转化的影响。II-VI族量子点和一维金属纳米线界面光子传输的规律，研究贵金属表面SPR光子传输规律。

3、设计以肖特基结宏观尺度阵列为核心材料的近红外探测器原型器件，研究在线服役的稳定性。

研究目标：

1、发展2-3种构筑宏观尺度纳米材料体系的方法，构筑零维和一维组合单元及其阵列、纳米棒阵列和半导体/金属肖特基结阵列。

2、揭示异质纳米界面能量传输的规律(光能→电能)。揭示电子在耦合体系中的界面传递、迁移与复合规律，发展以纳微结构为核心材料的超级电容器。

3、设计以肖特基结宏观尺度阵列为核心材料的近红外探测器原型器件。

4、通过本项目实施，培养研究生20名。撰写一本专著，发表SCI论文70篇，申请发明专利20项。争取获得1-2项省部级奖。

经费比例：31%

04课题：宏观尺度复合磁纳米结构的构筑和磁性能的优化

承担单位：南京大学、中国科学院合肥物质科学研究院

负责人：唐少龙

主要研究内容：

1、以电控磁材料和磁光材料及器件为导向，发展宏观尺度复合磁纳米结构的构筑技术。在以往掌握的纳米阵列制备技术的基础上，结合光刻技术和化学方法构筑高密度大面积有序磁性/非磁性宏观尺度纳米阵列，发展磁性和铁电复合纳米单元构筑复合薄膜体系的方法。

2、研究纳米材料单元组装后宏观尺度体系中纳米单元的耦合效应和新规律。研究铁磁(磁性金属和合金)/非磁性(氧化物、贵金属)，磁性(金属和合金)/铁电(氧化物)复合纳米单元界面耦合效应及能量传递的新规律。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电对磁、光对磁的调控和性能优化。

3、以磁性/铁电复合纳米材料体系为研究核心，研究电控磁的规律，探索其应用的途径。

研究目标：

1、发展磁性/铁电异质复合纳米单元构筑薄膜的技术，发展有序磁性/非磁性宏观尺度纳米阵列的制备技术。

2、揭示磁电耦合规律，发展具有大的电控磁效应的纳米材料；揭示磁性/非磁性纳米复合材料磁光效应的规律，发展具有高性能磁光效应的新型磁光材料。

3、设计和制备示范的电控磁原型器件。

4、发表SCI论文40篇，申请发明专利8项，培养博士研究生15人。

经费比例：17%

课题之间的关系：

为了推动项目顺利地实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把前面提到的4项主要研究内容划分为3个层面，组织4个课题进行分工研究。3个层面是：1)有明确应用目标的宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法和新原理；2)宏观尺度纳米结构单元之间的界面效应和耦合效应产生的新现象、新性能和性能优化研究；3)以应用出口为导向，利用宏观尺度纳米材料体系优异性能设计并制作下一代纳米材料和器件，研究宏观尺度纳米材料体系在线服役的稳定性。3个层面的研究始终围绕着解决本项目的关键问题和应用需求来展开，其中，宏观尺度纳米材料体系构筑的新方法和新原理、单元之间的界面耦合效应是4个课题共同要解决的关键问题，虽然每个课题研究的重点各有侧重，但都必须围绕项目的拟解决的关键问题从一个角度、一个侧面进行研究，都是项目研究的不可缺少的组成部分，研究结果的集成有利于对宏观尺度纳米材料体系制备科学的全面认识和新原理、新方法的创新，有利于揭示该体系的界面效应、多尺度耦合效应和由此产生的新性能。项目中的关键问题的研究是联系4个课题的纽带，自始至终贯穿4个课题研究的始终，各课题将共享制备方法取得的成果。同时，每个课题都有自己的特色，01课题重点研究碳纳米结构单元构筑的宏观尺度纳米材料体系，以电性能为主，向交叉性能拓展，发展与微电子技术兼容的集成技术。02课题重点研究碳纳米结构单元构筑微米尺度纳微结构和宏观尺度复合纳米材料体系，以该体系的优异力学性能的研究为主，向具有实用性的综合性能拓展。03课题以异质纳米结构单元构筑宏观尺度纳米材料体系为研究的主旋律，重点研究光学和光电性能。04课题重点研究不同性质的纳米单元构筑的宏观尺度纳米材料体系的构筑方法，以磁性能研究为主向电控磁效应和优异的磁光性能拓展。4个课题共同的特点是均以应用需求为导向围绕界面效应和多尺度耦合效应产生的新性能、新规律进行基础研究，能做到优势互补，在性能优化调控和纳米材料应用两个方面有所拓展。本项目各课题之间在过去长期合作的基础和形成的研究平台上，做到了资源共享，这些合作的经验和多年积累的团队精神形成了具有软实力和硬实力相结合的科研氛围，这些精神必然在本项目实施过程中进一步发扬，为本项目完成预期目标提供了有力保证。

四、年度计划

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

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。

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理

纳米材料的热学特性

纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和

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

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

纳米材料表面效应

纳米材料的表面效应 材料0701 李愿 学号：1002070101 参考文献： 1、卢柯、卢磊金属纳米材料力学性能的研究进展 金属学报 2000年8月第36卷第8期：785—789 摘要 金属纳米按体材料具有独特的力学性能如高强度、超高延展性等。近年来得到广泛深入的研究。在对其新进展进行简要评述的基础上，讨论了它的强度、塑性、弹性模量、应变强化、超塑性、蠕变及变形机理等相关问题。 2、吴锦雷纳米材料的电学、光学和光电性能及应用前景 真空电子学术 2002年第4期：23—27 摘要： 简要介绍了纳米材料的电学性能以及单电子器件的基本原理和应用；纳米材料的光学性能和光电性能，高的光吸收系数和光致荧光现象可使其应用于敏感元件，由于其光电特性具有超快响应速度，可望在超快光电子器件中得到应用。 3、齐卫宏、汪明朴纳米金属微粒表征量的基本关系 材料导报 2002年9月第16卷第9期：76—77 摘要： 在假定纳米微粒近似成球形的前提下，推导出了粒径、微粒原子数、表面原子百分数及比表面积之间的相互关系式，这些关系式对实验将会有一些指导作用。 4、梁海弋、倪向贵、王秀喜表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟 金属学报 2001年8月第37卷第8期 833—836 摘要： 采用EAM势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟。研究表面效应对原子能量、截面应力分布的影响模拟结果表明，表面原子弛豫降低了纳米杆初始阶段的拉伸弹性模量。表面效应明显影响截面应力的发展与分布。 5、黄丹、陶伟明、郭乙木分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 固体力学学报 2005年6月第26卷第2期：241—244 摘要： 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟。模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响。自由表面增加纳米材料的塑

发光功能化的纳米材料的应用探讨.docx

发光功能化的纳米材料的应用探讨纳米材料在实际应用中，其主要特点是比表面积大、化学反应活性强以及具有良好的尺寸效应，能够和生物体产生特殊的相互作用。在生物标记以及分析检测中则主要是作为生物探针应用，同时纳米技术、生物技术以及分析技术的良好结合，也进一步促进了功能性纳米材料的发展及应用。本文则从发光功能化角度，对纳米材料的发展及应用探讨。 1纳米材料在电化学和电化学发光生物传感中的应用 其中将CdTe量子点作为标志物的免疫传感器，能够同时测定人IgG抗原作为模型蛋白的荧光及电化学。首先借助于聚阳离子电解质PDDA能够在导电玻璃上将金胶纳米粒子在ITO芯片上被成功吸附，之后在金胶纳米离子上固定羊抗人IgG抗体，再实施封闭处理之后芯片则能够和检测出现抗原反应，并和量子点标记的鼠抗人IgG抗体反应。在以上反应结束后可以进行荧光及电化学方式检测。其中电致化学发光则是有效结合电化学和化学发光的检测方法，应用也比较广泛。量子点特点则为荧光特性独特以及生物相容性好，在其应用过程中将硫基乙酸作为稳定剂，则能够成功合成水溶性Cds纳米晶体。在对进行分析过程中，发现水溶液中会出现电致化学发光行为。采用自组装方式和纳米金放大技术相结合，在金电极上修饰Cds纳米晶，则能够构建新型ECL免疫传感器，主要是在低浓度脂蛋白检测中应用。这一材料在实际应用中具有良好的电化学发光以及生物相容性，能够进一步构建量子点电化学发光免疫传感器，主要应用在人免疫球蛋白灵敏

性检测工作中。 2纳米材料在聚合物电致发光中的应用 聚合物电致发光在应用中主要优势为：主动发光，并且效率高、宽视角、能耗低、厚度小、操作简单等等，在照明及平板显示领域中具有良好的应用发展前景，目前已经在全世界科学界及工业界得到普遍关注。聚合物电致发光二极管的首次研究则是在19XX年，英国机剑桥大学首次报道关于聚对苯乙烯的聚合物电致发光二极管，在采用溶液法将聚合物前驱体进行成膜之后，放置在2500C真空高温环境中进行处理，最终为均匀、致密的PPV薄膜，器件的阴阳极分别是Al 和ITO，在＜14V电压环境下则能够实现外量子效率0.05%黄绿光发光。PPV则属于是难溶性共轭聚合物，在其处理过程中一定要选用前驱体方式进行旋涂成膜，在操作过程中工艺复杂，同时薄膜质量也比较差。在19XX年美国加州大学则提出可通行的甲氧基异辛氧基对聚对苯乙烯进行取代，能够在ITO上旋涂MEH-PPV溶液成膜，从而实现发光层，即将金属Ca作为阴极则能够得到1%橘红色发光二极管，这一工艺在操作中简单，同时具有高发光率聚合物电致发光二极管。19XX年则进一步采用柔性塑料基底则可弯曲聚合物电致发光二极管，从而呈现出聚合物电致发光二极管最为迷人一面。在近些年来，世界对聚合物电致发光材料及期间的研究一直都比较重视，并取得显著进步，但是就目前而言不管是聚合物电致发光器件稳定性还是效率上均还有进步空间，因此还需要进一步加大研究。 3纳米材料在化学发光免疫分析中的应用

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。

纳米材料的力学和电学性能

纳米材料地力学和电学性能及其应用 摘要：主要介绍了纳米材料地力学性能（包括超硬、高强、高韧、超塑性以及高性能陶瓷）和电学性能（包括压敏材料、量子器材、非线性电阻等），以及这些性能地应用. 关键词：纳米材料；力学性能；电学性能；应用领域. 随着人类社会地发展和进步，现代科学技术探索地主要领域有：航空航天、火箭、卫星；热核反应发电站；深海探索；高温燃气轮机；高压贮罐以及生物环境仿生学等.在大多数情况下，其工作条件非常复杂和恶劣.如：超高压、超高温、超真空、强辐射、强腐蚀等，这些恶劣地条件对我们地材料提出了更高地要求.而传统地金属、非金属等材料已经远远不能满足这些极其苛刻地要求了，这就需要我们发展新型地高性能材料.这时，纳米材料以其卓越地性能进入了人们地视野，纳米材料在力学和电学方面地性能满足了多领域地需求.文档收集自网络，仅用于个人学习 普通多晶材料地强度(或硬度).随晶粒尺寸地变化通常服从一关系 Σ＝σ＋ｋｄ－１／２ 其中,为σ一强度常数, 为一正常数.即随晶粒细化材料地强度(或硬度)按－１／２关系线性增大.等人利用分子动力学计算模拟,发现在０及,纳米(晶粒尺寸在一范围)屈服强度和流变强度均表现出反常一关系,即< .表明“ 理想” 纳米材料(无污染、全致密、完全驰豫态、细小均匀晶粒) 地性能可能与常规多晶材料完全不同.文档收集自网络，仅用于个人学习 材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成地.根据晶界滑移地理论模型, 如晶界扩散蠕变模型, 其形变速率ε可表述为文档收集自网络，仅用于个人学习 ε＝ＢωσξＤｇｂ／ｄ３ＫＴ 其中σ为拉伸应力,ω为原子体积, 为平均晶粒尺寸, 为常数, Ｄｇｂ为晶界扩散率, ξ为晶界厚度, 为常数.文档收集自网络，仅用于个人学习 介电特性是材料地重要性能之一, 当材料处于交变电场下, 材料内部会发生极化, 这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间, 即弛豫时间.弛豫时间长, 则会产生较大地介电损耗.纳米材料地微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响, 介电常数与交变电场地频率也有密切关系.例如纳米在频率不太高地电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值时地粒径为.一般讲, 纳米材料比块体材料地介电常数要大, 介电常数大地材料可以应用于制造大容量电容器, 或者说在相同电容量下可减小体积, 这对电子设备地小型化来讲很有用. 文档收集自网络，仅用于个人学习 一维纳米材料有望成为纳米装置中地连接线和功能单元，如用做扫描隧道显微镜()地针尖、光导纤维、超大规模集成电路() 中地连线、微型钻头等.文档收集自网络，仅用于个人学习一维纳米材料在光电转换效应方面有很多特有地性能，当金属纳米微粒埋藏于半导体介质中，纳米微粒要向周围介质输运电子，在微粒表面形成电荷积累，于是界面地等效位垒高度降低，当电子受到光地激发，电子容易逸出薄膜表面而发射到真空中去.文档收集自网络，仅用于个人学习 纳米材料在微电子学上地应用：连接超高密度集成线路元件地纳米导线，日本理化研究所科学家青野正和等使用有机导电高分子材料研制出线宽仅为纳米地极微细导线, 大大突破了现在半导体加工技术地极限线宽; 文档收集自网络，仅用于个人学习 制备金属鲍缘体多层膜地新方法,中国科技大学通过紫外光照射地方法将有机混合溶液中地无机盐还原,合成出被有机配位体所包裹地稳定地纳米颗粒; 然后利用电泳法将这些有机配位体包裹地纳米粒子沉淀到涂碳显微栅格上; 文档收集自网络，仅用于个人学习纳米陶瓷基板,低温共烧多层基板(),可采用一等电阻率低地金属作多层布线导体材料, 可使布线更加细微化,提高布线密度和组装密度;文档收集自网络，仅用于个人学习

功能化纳米材料研究与蛋白质选择性富集分离技术

功能化纳米材料研究与蛋白质选择性富集分离技术 蛋白质组学以大规模分析细胞或生物体内的蛋白质为目的，主要开展表达蛋白质组学和功能蛋白质组学两类研究工作。生物体内蛋白质种类繁多，性质复杂，数量庞大，尤其是蛋白质翻译后修饰，对现行的蛋白质组学研究方法和技术提出了许多挑战。因此，发展蛋白质研究新技术与新方法，对于解决生物学、疾病诊断和治疗等方面的科学问题有着重大的意义。 功能化纳米材料在科学发展的各个领域都有着广泛应用，相对于普通材料而言，它们具有极大的比表面积和极高的表面活性，特别适于生物医学领域的应用。针对蛋白质组学研究中面临的磷酸化和糖基化蛋白质高效选择性富集方面的热点难点问题，将功能化材料与蛋白质分析结合起来，开展了一系列研究工作，发展了一些基于功能化材料的磷酸化和糖基化蛋白质组学研究新技术新方法。与IMAC相比，磁性纳米新材料具有更高的选择性，并且对低pH溶液、盐类、其它低分子污染物有更高的耐受性。我们先后研究合成了TiO2、ZrO2、Ga2O3等金属氧化物包覆的磁球，并成功用于磷酸化肽段的富集。同时还合成了Fe3O4@C@Ta2O5和Fe3O4@C@SnO2磁球用于磷酸化肽段的富集，展现了优越的富集选择性。同时，我们还研究了糖肽和糖蛋白的富集鉴定新方法。首先合成了纳米级金粒子，然后通过高温煅烧将这些纳米金颗粒烧结到MALDI-QIT-TOF-MS靶板上，再利用金和巯基之间的相互作用在这些纳米金颗粒表面修饰上巯基苯硼酸，用来选择性富集糖基化的肽或者蛋白质。进而发展了利用“三明治”固定方法在硼酸纳米磁性微球表面固定了凝集素蛋白（Con A），并将其用于糖基化蛋白的分离富集。球表面直接固定Con A相比，利用上述“三明治”方法固定的Con A量提高了三倍。Con A纳米磁球、硼酸磁球和商品化的Con A磁球用来进行人肝癌细胞株7703细胞裂解液中糖蛋白的分离富集。利用Con A纳米磁球共鉴定了包含184个糖基化位点在内的172条糖肽，这些糖肽共对应 1

纳米材料的应用及发展前景

纳米材料的应用及发展前景 摘要 纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并简述了纳米材料在各方面的应用及其在涂料和力学性能材料方面的发展前景。 关键词：纳米材料、纳米技术、应用、发展前景 一、前言 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1 纳米～100纳米范围之间。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。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展

功能化介孔二氧化硅纳米材料的应用

Hans Journal of Nanotechnology纳米技术, 2019, 9(3), 93-100 Published Online August 2019 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/4f5240644.html,/journal/nat https://https://www.wendangku.net/doc/4f5240644.html,/10.12677/nat.2019.93011 Application of Functionalized Mesoporous Silica Nanomaterials Zhengdong Yan*, Xiaolei Liang, Huiling Tang, Qiang Xiao Key Laboratory of the Ministry of Education for Advanced Catalysis Materials, Institution of Advanced Fluorine-Containing Materials, Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang Received: Jul. 28th, 2019; accepted: Aug. 9th, 2019; published: Aug. 16th, 2019 Abstract Mesoporous silica nanomaterials have a unique structure and are easy to be modified by surface functionalities. They can be combined with materials of different functions to form a new type of material with specific purposes and have a wide range of uses. In this review, we discuss several methods for synthesizing functionalized mesoporous silica and its special nanostructures. Com-bined with the latest literature, we introduced some applications of functionalized mesoporous si-lica nanoparticles in environmental protection, industrial catalysis, and as drug carriers. Keywords Mesoporous Silica, Nanomaterials, Functionalization, Application 功能化介孔二氧化硅纳米材料的应用 闫正东*，梁晓蕾，汤会玲，肖强 浙江师范大学，含氟新材料研究所，先进催化材料教育部重点实验室，浙江金华 收稿日期：2019年7月28日；录用日期：2019年8月9日；发布日期：2019年8月16日 摘要 介孔二氧化硅纳米材料结构独特，易于表面功能化修饰，能够结合不同功能的材料形成具有特定用途的新型材料，用途极为广泛。这篇综述讨论了几种合成功能化介孔二氧化硅的方法，以及其特殊的纳米结构。还结合最新文献，介绍了一些功能化介孔二氧化硅纳米粒子在环境保护、工业催化以及作为药物载体等领域的应用。 *通讯作者。

微纳米力学及纳米压痕表征技术

微纳米力学及纳米压痕表征技术 摘要：微纳米力学为微纳米尺度力学,即特征尺度为微纳米之间的微细结构所涉及的力学问题[1] 。纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压深量[2]，适用于微米或纳米级的薄膜力学性能测试，本实验采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附着在ZnS 基底，得到了Al2O3薄膜的力学性能。 关键词：微纳米力学纳米压痕杨氏模量硬度 0引言 近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。[3]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律 ,以上趋势要求测试仪器具有高的位置分辨率、位移分辨率和载荷分辨率 ,纳米压痕方法能够满足上述测试需求。[4] 现在，薄膜的厚度己经做到了微米级,甚至于纳米级,对于这样的薄膜,用传统的材料力学性能测试方法己经无法解决。纳米压痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法。它通过连续控制和记录样品上压头加载和卸载时的载荷和位移数据,并对这些数据进行分析而得出材料的许多力学性能指标,压痕深度可以非常浅，压痕深度在纳米范围,也可以得到材料的力学性能，这样该方法就成为薄膜、涂层和表面处理材料力学性能测试的首选工具,如薄膜、涂层和表面处理材料表面力学性能测试等。 1纳米力学简介 1.1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，是把组成相或晶粒结构控制在 100nm 以下尺寸的材料。 1.2纳米材料分类 纳米材料分类：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。 1.3纳米材料特性及其基本单元 纳米材料的基本单元：团簇、纳米微粒、纳米管、纳米带、纳米薄膜、纳米结构。

纳米材料的特性及应用

纳米材料的特性及应用 （齐齐哈尔大学材料科学与工程学院高分子专业） 摘要：纳米材料是当今及未来最有发展潜力的材料，由于其独特的表面效应、体积效应以及量子尺寸效应 ,使得材料的电学、力学、磁学、光学等性能产生了惊人的变化。本文分别从纳米材料的定义，发展，分类，特性，应用及未来发展方面进行了详细的论述。 引言 很多人都听说过"纳米材料"这个词,但什么是纳米材料级简称为纳米材料，是指其的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间,广义上是中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。由于它的尺寸已经接近电子的，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，加上其具有大表面的特殊效应。因此它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力 关键词：?纳米材料纳米材料分类特性应用 一.什么是纳米材料 纳米级简称为纳米材料(nanometermaterial)。从尺寸大小来说，通常产生显着变化的细小的尺寸在0.1以下（注1米=100，1=10000微米，1

微米=1000，1=10），即100以下。因此，颗粒尺寸在1～100的微粒称为超微粒材料，也是一种材料。其中，纳米是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米薄膜、纳米、纳米瓷性材料和材料等。 二.纳米材料发展简史 纳米材料的应用实际上很早就有了，只是没有上升成纳米材料的概念。早在1000多年前，我国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料及染料。这是应用最早的纳米材料。我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝。经检验发现其表面有一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。十八世纪中叶，胶体化学建立，科学家们开始研究直径为1-10nm的粒子系统。即所谓的胶体溶液。事实上这种液态的胶体体系就是我们现在所说的纳米溶胶，只是当时的化学家们并没有意识到，这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次。在后来的催化剂研究中，人们制备出了铂黑，这大约是纳金属粉体的最早应用。把纳米材料正式作为材料科学的一个新的分支是在1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定的。所以纳米材料的发展将1990年7月作为界线，1990年7月以前为第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备不同种材料的纳米粉末、合成块体(包括薄膜)、研究评估表征的方法、探索纳米材料。不同于常规材料的特殊性；但研究大部分局限性在单一材料。人们开始看到，当材料的尺寸处于纳米尺度范围内时，会呈现许多不同的性能特征，这对新材料的研究和发展提供了新的思路和方向。1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质的性

纳米粒子表面功能化研究进展

纳米粒子表面功能化研究进展* 齐天骄1，2，邓建国1，2 ，黄奕刚1 (1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900)（2.中国工程物理研究院化工材料研究所新材料研究中心，四川绵阳 621900） 摘 要：纳米粒子表面改性包括物理改性和化学改性。物理改性一般采用高能表面改性法对纳米 粒子进行修饰；化学改性分为硅烷偶联剂、酯化反应、表面接枝和表面活性剂等方法。关键词：纳米粒子；表面；修饰 Research Progress in Surface-modifications of Nanoparticle QI Tian-jiao 1,2,DENG Jian-guo 1,2,HUANG Yi-gang 1 (1.Institute of Chemical Materials,China Academy of Engineering Physics ， Mianyang 621900，China) (2.New Material Research Center,Institute of Chemical Materials ，China Academy of Engineering Physics ，Mianyang 621900，China) Abstract:Surface-modification includes Physical modification and chemical modification.Physical modification is that kinds of rays irradiate nanoparticles to modify and nanoparticles is encrusted with some other https://www.wendangku.net/doc/4f5240644.html,ing coupling agent,esterification,some groups be grafted onto the surface of nanoparticles and surface active agent modified are parts of chemical modification. Keywords:nanoparticles;surface;modification 中图分类号：TB34文献标识码：A 文章编号：1812-1918（2009）02-0070-05 收稿日期：2008-12-04 *基金项目：中国工程物理研究院军转民重点基金项目(JM200703)0引言 纳米材料是纳米科技领域最富有活力、研究 内涵最丰富的分支学科之一。纳米粉体指粒子尺寸为1～100nm 的超微颗粒，是纳米材料的重要组成部分及原材料，其本身的结构和特性决定了纳米固体材料的许多新特性[1]，在电子学、光学、化工、 陶瓷、生物和医药等诸多领域具有广泛的应用前景：纳米陶瓷的韧性有很大提高，而且，控制恰当的烧结温度，其韧性可与硬度同步提高，特别是 纳米陶瓷有望出现低温延性；为了提高磁记录的密度,磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米\亚微米向纳米尺度过渡；将纳米微粒与塑料复合，可起到对塑料增强增韧作用，改善塑料的耐老化性，赋予材料的功能化。我国自行研制的纳米塑料耐磨性是黄铜的27倍，钢铁的7倍，在2008年北京奥运会上得到较好的应用[2]；美国将纳米Fe 3O 4与药物结合，利用其超磁性，通过外加磁场导航将药物定向释放至病变组织或器官中，以减少药物副作用[3]。 但是，纳米粒子极易团聚，与大部分聚合物相容性差，其分散问题是目前超细粉体研究的热点和难点。而纳米粒子表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，使 70