納米材料和納米結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

1、納米材料和納米結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容I一、納米科技簡(jiǎn)介二、納米結(jié)構(gòu)單元三、納米材料特性四、納米材料制備五、納米微粒尺寸的評(píng)估六、納米結(jié)構(gòu)和納米材料的應(yīng)用美國(guó)著名物理學(xué)家,1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者R.P大自然中的納米高手Feynman在1959年曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“如果有一天能按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子分子將會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡”，納米科學(xué)技術(shù)的誕生將使這個(gè)美好的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。一、納米科技簡(jiǎn)介納米科技是指研究尺寸在0.1100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。納米粒子乂稱(chēng)超細(xì)微粒，屬于膠體粒子大小的范疇。它們處于原子簇

2、和宏觀物體之間的過(guò)度區(qū)，處于微觀體系和宏觀體系之間，是由數(shù)目不多的原子或分子組成的集團(tuán)，因此它們是既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)的介觀系統(tǒng)。潔身自好的蓮花一提到蓮花，人們就會(huì)很自然地聯(lián)想到荷葉上滾動(dòng)的距珠，即所謂的蓮花效應(yīng)。通過(guò)電子顯微鏡，可以觀察到蓮葉表而及蓋著無(wú)數(shù)尺寸約10個(gè)微米突包，而每個(gè)突包的表面又布滿(mǎn)了直徑僅為幾百納米的更細(xì)的絨毛。這是自然界中生物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，正是這種特殊的納米結(jié)構(gòu)，使得荷葉表面不沾水滴。借助蓮花效應(yīng)，蓮花可保持葉子清潔。當(dāng)荷葉上有水珠時(shí),風(fēng)吹動(dòng)水珠在葉向上滾動(dòng)，水珠可以粘起葉面上的灰塵，并從上面高速滑落，從而使得蓮葉能夠更好地進(jìn)行光介作用。飛檐走壁的壁虎壁

3、虎可以在任何增而上爬行，反貼在天花板上，甚至用只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術(shù)。壁虎腳上覆蓋著十分纖細(xì)的茸毛，可以使生虎以?xún)杭{米的距離大而枳地貼近墻而。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)白萬(wàn)個(gè)的附著點(diǎn)，從而支撞其體重。這種附著力可通過(guò)“剝落”輕易打破，就像撕開(kāi)膠帶樣，因此壁虎能夠穿過(guò)天花板。貝類(lèi)一嫻熟的粘合高手普通的貝類(lèi)就是與蔬菜一起烹飪、在飯店每天都可以吃到的那種，堪稱(chēng)納米粘合技術(shù)的高手。當(dāng)它想把H己貼在塊巖石上時(shí)，就會(huì)打開(kāi)貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個(gè)吸盤(pán)，然后通過(guò)細(xì)管向低壓區(qū)注射無(wú)數(shù)條黏液和膠束，釋放出強(qiáng)力水卜膠粘劑。這叫黏液和膠束瞬間形成

4、泡沫，起到小墊子的作用。貝類(lèi)通過(guò)彈性足絲停泊在這個(gè)減震器上，這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷O這種牢固的膠粘效果就來(lái)自黏液和巖石納米尺度卜分子之間的相互作用。五彩斑斕的蝴蝶眼觀六路的蛇尾海星水面上自由行走的水典細(xì)菌一世界上“跑”得最快的生物利用“羅盤(pán)”定位的蜜蜂會(huì)吐絲的蜘蛛二、納米結(jié)構(gòu)單兀構(gòu)成納米材料的結(jié)構(gòu)單元包括限定的團(tuán)孩或人造原門(mén)出簌、納米微粒、納米I管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜、納米單層膜及多層膜等。1、原子團(tuán)簇指兒個(gè)至兒百個(gè)原子的聚集體，如Fg,CunSm,CA（n和山都是整數(shù)）和碳簇（C6o,C,o和富勒烯等）等。一元原子團(tuán)簇：包括金屬團(tuán)簇（如Nan,Nin等）和非金屬團(tuán)簇

5、（如C60,C70團(tuán)簇）；二元原子團(tuán)簇：包括InnPni,AgnSiu；多元原子團(tuán)簇：Vn（C6H6）in,原子簇化合物：原子團(tuán)簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合形成的化合物。原子團(tuán)簇的奇異特性：1 .具有碩大的表面積比而呈現(xiàn)出高的化學(xué)活性和催化活性;2 .幻數(shù)效性；3 .原子團(tuán)尺寸小于臨界值時(shí)的“庫(kù)倫爆炸”；4 .原子團(tuán)逸出功的振蕩行為等。5 .光的量子尺寸效應(yīng)和非線(xiàn)形效應(yīng)，碳管的導(dǎo)電性等。納米微粒（nanoparticles）是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子團(tuán)族（cluster）,小于通常的微粉,通常把僅包含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)原子或尺寸小于Inui的粒子稱(chēng)為簇，它是介于單個(gè)原子與固態(tài)

6、之間的原子集合體。3 .人造原子：是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于lOOnin。研究人造原子特有的量子效應(yīng)將為設(shè)計(jì)和料造納米結(jié)構(gòu)器件奠定理論基礎(chǔ)。|人造原子與真正原子的區(qū)別（1）人造原子含有一定數(shù)量的真正原子。（2）人造原子的形狀和對(duì)稱(chēng)性是多種多樣的，真正原子可以用簡(jiǎn)單的球形和立方形來(lái)描述。（3）人造原子電子間強(qiáng)交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜的多。（4）實(shí)際原子中電子受原子核吸引作軌道運(yùn)動(dòng)，而人造原子中的電子處于拋物線(xiàn)的勢(shì)阱中，具有自由電子的特征。4 .納米管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜納米管比人的頭發(fā)絲還要細(xì)1萬(wàn)倍，而它的硬度要比鋼材堅(jiān)硬100倍。它可以耐受6500°F

7、(3593)的高溫,并且具有卓越的導(dǎo)熱性能。納米管既可以用作金屬導(dǎo)電體，比金的電高多得多，也可以用作制造電腦芯片所必須的半導(dǎo)體。納米管在極低的溫度下還具有超導(dǎo)性。同軸同軸納米電纜同軸納米電纜是指直徑為納米級(jí)電纜，芯部通帝為平導(dǎo)體或?qū)w的納米絲， 外面包敷異質(zhì)納米殼體(導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體)，外部的殼體和芯部的絲是共軸的 O 由于這類(lèi)材料所具有的獨(dú)特性能、豐富的科學(xué)內(nèi)涵、廣泛的應(yīng)用前景以及在 未來(lái)納米結(jié)構(gòu)器件中占有戰(zhàn)略地位。結(jié)構(gòu)優(yōu)美的項(xiàng)鏈狀銅/交聯(lián)PVA核 殼微納電纜,尺寸在納米量級(jí)的晶粒構(gòu)成的薄膜，或?qū)⒓{米晶粒鑲嵌于某種薄膜中構(gòu)成的復(fù)合膜，以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。三、納米材料特性

8、由于極細(xì)的晶粒，大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。1 .小尺寸效應(yīng)當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)或德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí),晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。這種體積效應(yīng)為實(shí)際應(yīng)用開(kāi)拓了廣泛的新領(lǐng)域。例如：可利用納米粒子的熔點(diǎn)低，采取粉末冶金的新工藝；乂如調(diào)節(jié)顆粒的尺寸，可制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。2 .表面效八，表面效應(yīng)乂稱(chēng)界面效應(yīng)，是指納米微粒的表面

9、原子數(shù)與總原子數(shù)隨粒徑減小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。因此，納米粒子是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，易于自發(fā)的凝聚,對(duì)已經(jīng)制備好的粒子需設(shè)法保護(hù)。3 .量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí),能隙變寬現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致納米銀與普通銀的性質(zhì)完全不同,普通銀為導(dǎo)體，而粒徑小于20niu的銀卻是絕緣體。4 ,宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng).近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒

10、的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱(chēng)為宏觀的量子隧道效應(yīng)。此外還有庫(kù)侖堵塞與量子隧穿效應(yīng)，介電限域效應(yīng)，量子限域效應(yīng)。量子隧穿效應(yīng)限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息存儲(chǔ)的時(shí)間極限。宏觀量子隧道效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)，是未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ)，或者說(shuō)確立了現(xiàn)有微電子器件進(jìn)一步微型化的極限?？傊捎诩{米材料所具有的常規(guī)材料所不具備的特性，使得納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景，因而成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。納米材料類(lèi)別化學(xué)法物理法綜合法納米粉體沉淀法（共沉淀，均相沉淀）化學(xué)氣相凝聚（CVC）,水熱法，相轉(zhuǎn)移法，

11、溶膠凝膠法情性氣體沉積法，蒸發(fā)法，激光濺射法，真空蒸做法，等離廣蒸發(fā)法,球磨法，爆炸法，噴劣法，溶劑揮發(fā)法羯射化學(xué)合成法納米膜材料溶膠凝膠法，電沉枳法，還原法惰性體蒸發(fā)法，高速粒子沉積法，激光濺時(shí)法，超聲沉積法納米晶體和納米塊|:晶晶化法球磨法，原位加壓法，固相界火法激光化學(xué)反應(yīng)法無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化納米材料原位聚合法，差層法共混法粗射化學(xué)合成法納米高分子材料乳液法，理微乳法,懸浮法天然高分子法，液中干燥法納米微囊高分子包覆法，乳液法超聲分散法，注入法，薄膜分散法，冷凍干燥法，逆向蒸發(fā)法高分子包覆超聲分散法，注入-超聲分散法納米組裝材料納米結(jié)構(gòu)自組裝合成，模板法合成，溶膠凝膠法，化學(xué)氣相沉積法電化學(xué)

12、沉積五、納米微粒尺寸的評(píng)估顆粒大小的主要參數(shù)是顆粒的粒度及其分布特性。顆粒的大小通常用粒徑和粒度來(lái)表征。粒徑是以單一顆粒為對(duì)象表示顆粒的大小，而粒度是以顆粒群為對(duì)象表示所有顆粒大小的總體概念。對(duì)于顆粒群來(lái)說(shuō)，重要的粒度特征是其粒度的分布和平均粒度。粒徑評(píng)估的方法很多，主要有透射電鏡觀察法，X射線(xiàn)衍射線(xiàn)線(xiàn)寬法（謝樂(lè)公式），比表面法，X射線(xiàn)小角散射法，拉曼散射法，光子相關(guān)譜法等。1透射電鏡觀察法這種方法后偵察納米粒子的平均直徑或粒徑的分布。缺點(diǎn)是：由于納米粒子很難分散，故這種方法測(cè)得的顆粒粒徑往往是團(tuán)聚體的粒徑。另一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏統(tǒng)計(jì)性，觀察到的粒子都是局部區(qū)域的，不具有代表性。2.X射線(xiàn)衍射線(xiàn)線(xiàn)寬

13、法（謝樂(lè)公式）d=0.89A/Bcos0d-晶粒粒度，入-入射X射線(xiàn)波長(zhǎng)，B-晶粒度細(xì)化一引起的寬化度，e-衍射角。顆粒為單晶時(shí)，測(cè)得的是顆粒度，顆粒為多晶時(shí)，測(cè)得的是組成單個(gè)顆粒的單個(gè)晶粒的平均晶粒度。3.比表面法通過(guò)測(cè)定單位重量的比表面積黑，可由下式計(jì)算納米粒子直徑（設(shè)顆粒呈球形）d=6/qS式中，P為密度，d為比表面積直徑；比表面積Sw可通過(guò)BET多層氣體吸附法測(cè)量?？赏ㄟ^(guò)比表面儀測(cè)量比表而。六、納米結(jié)構(gòu)和納米材料的應(yīng)用口1 .納米結(jié)構(gòu)材料:包括純金屬、合金、復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷，具有十分優(yōu)異的機(jī)械、力學(xué)及熱力性能?？墒箻?gòu)件重量大大減輕。2 .納米催化、敏感、儲(chǔ)氫材料：用于制造高效的異質(zhì)催

14、化劑、氣體敏感器及氣體捕獲劑，用于汽車(chē)尾氣凈化、石油化匚、新型潔凈能源等領(lǐng)域。3 .納米光學(xué)材料：用于制作多種具有獨(dú)特性能的光電子希件。如量阱GaN型藍(lán)光二極管、量子點(diǎn)激光器、單電子晶體管等。4 .納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻材料：磁場(chǎng)導(dǎo)致物體電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)，對(duì)于般金屬其效應(yīng)常可忽略。但是某些納米薄膜具有巨磁電阻效應(yīng)。在巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的第6年，1994年舊M公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度下:提高了17倍。這種材料還可以制作測(cè)量位移、角度的傳感器，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車(chē)測(cè)速、非接觸開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器中。5 .納米微品軟磁材料用于制作功率變壓洋、脈沖變壓瑞、扼流圈、互感

15、器等。,血米微晶稀土永磁材料將晶粒做成納米級(jí)，可使鈦鐵硼等稀土永磁材料的磁能枳進(jìn)一步提高，并有希望制成兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡?qiáng)度、高矯頑力的新型永磁材料（通過(guò)軟磁相與永磁和在納米尺度的復(fù)合）。醫(yī)藥使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分了的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒了將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒了包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊捕細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線(xiàn)等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。環(huán)境保護(hù)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。、紡織工業(yè)在合成纖維樹(shù)脂中添加納米SiO2、納米妨0、納米Si02復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線(xiàn)輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿(mǎn)足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外緋福射的功能纖維C疝械王業(yè)采用納泰荷料