納米粒子PowerPoint幻燈片(2)

1、Nanoscale science and technology 唐青青Nanoscale science and technology 唐青青Nanoscale science and technology納 米 科 技 唐青青納米系統(tǒng)是典型的介觀系統(tǒng) 納米粒子通常是指尺寸在1-100nm之間的粒子（也有人認(rèn)為是0.1-100nm之間）。就其大小而論是處在原子簇和宏觀物體之間的過(guò)渡區(qū)，這樣的系統(tǒng)具有一些特殊性質(zhì)。它既不是典型的微觀系統(tǒng),又不是典型的宏觀系統(tǒng)，而是介于兩者之間的介觀系統(tǒng)（mesoscopic system),它具有一系列新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)正是體相材料中所忽略的或根本不

2、具有的。 其實(shí)早在大約1861年，隨著膠體化學(xué)學(xué)科的建立，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)直徑為 1-100nm的粒子進(jìn)行過(guò)研究，只是由于受當(dāng)時(shí)科學(xué)的整體水平特別是實(shí)驗(yàn)條件的限制 。從這里也可以看到測(cè)試手段落后也制約著科學(xué)的發(fā)展。 導(dǎo)向肽在磁性納米粒子表面上1959年，美國(guó)著名理論物理學(xué)R.Feynma曾說(shuō)過(guò)：“我深信，當(dāng)人們能操縱細(xì)微物體排列時(shí)，將可獲得極其豐富的新的物質(zhì)的質(zhì)”。如今，這一夢(mèng)想終于能在納米材料得以實(shí)現(xiàn)。人們對(duì)納米粒子的物理化學(xué)性質(zhì)的研究逐步深入，到了20世紀(jì)90年代，人工制備的納米材料已達(dá)百種以上。1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)的第一屆NST會(huì)議，標(biāo)志著這一全新的技術(shù)納米科技正式誕生。 納米粒

3、子的結(jié)構(gòu)和特征 納米微粒是由有限數(shù)量的原子或分子組成，是熱力學(xué)的不穩(wěn)定系統(tǒng)。當(dāng)物質(zhì)的尺寸減小到一定尺寸時(shí)，此種變化就會(huì)反饋到物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的性能上，從而顯示出許多特意的效應(yīng)。納米粒子主要有如下四種基本特征：（1）小尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米粒子的晶體尺寸與光波的波長(zhǎng)或傳導(dǎo)電子的 deBroglie波長(zhǎng)以及透射深度等的尺寸相當(dāng)或比他們更小時(shí)，晶體表面周期性的邊界條件將被破壞，表面深層及其附近的原子密度將會(huì)減小，使得材料的光、電、磁、熱力學(xué)等性能發(fā)生改變。 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。（2）表面效應(yīng) 物質(zhì)的比表面隨著顆粒變小而迅速增加，表面原子數(shù)占總原子數(shù)的比例也急劇增加。由于表面原子受力不均

4、勻，它的力場(chǎng)尚不飽和，有剩余價(jià)力，因而表面原子十分活潑，且具有很高的表面能，故有很大的化學(xué)活性，易于與其它原子相結(jié)合。如果將催化劑制成納米粒子，則其活性必然更高。納米粒子的結(jié)構(gòu)和特征 （3）量子尺寸效應(yīng) 電子是Fermion子，服從泡利不相容原理，即兩個(gè)完全相同的Fermion不能處在同一狀態(tài)。早在20世紀(jì)60年代，Kubo求得求得金屬超微粒子的能級(jí)間距納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)?=NE34式中E為Fermion勢(shì)能，N為微粒的原子數(shù)。對(duì)宏觀物體，N很大，?0，即能級(jí)間距趨于零，能級(jí)是連續(xù)的。而對(duì)于納米微粒，由于粒子小，所含原子數(shù)有限，N值較小，導(dǎo)致?有一定旳值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂，能級(jí)的平均間距與粒

5、子自由電子的總數(shù)成反比。金屬Fermion能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散不連續(xù)，并有能隙變寬的現(xiàn)象，這就是納米材料的量子尺寸效應(yīng)。納米粒子的結(jié)構(gòu)和特征 （4）宏觀粒子的隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿 勢(shì)壘的能力，稱之為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā) 現(xiàn)微觀粒子的一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng) 度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有 隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生 變化，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)（macroscpic quantum tunneling,縮寫為MQT）。用此概念 可以解釋金屬鎳的超細(xì)微粒在低溫下 可以繼續(xù)保持超順磁性。 又例如具有鐵磁性的磁鐵， 當(dāng)粒子尺寸達(dá)到納米級(jí)時(shí)，

6、即由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?氧化鋅納米粒子納米材料制備方法分類納米材料的類別納米材料的類別化學(xué)法化學(xué)法物理法物理法綜合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 溶膠-凝膠法惰性氣體沉淀法 蒸發(fā)法 激光濺射法 真空蒸鍍法 球磨法 爆炸法 噴霧法 溶劑揮發(fā)法輻射化學(xué)合成法納米膜材料溶膠-凝膠法 電沉淀法 還原法惰性氣體蒸發(fā)法 高速粒子沉淀法 激光濺射法超聲沉淀法納米晶體和納米塊非晶晶化法球磨法 原位加壓法 固相淬火法激光化學(xué)反應(yīng)法無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化納米材料原位聚合法 抽層法共混法輻射化學(xué)反應(yīng)法納米高分子材料乳液法 超微乳法 懸浮法天然高分子法 液中干燥法納米

7、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)自由組織合成納米結(jié)構(gòu)分子自組織合成模板法合成溶膠-凝膠法 化學(xué)氣相沉淀法電化學(xué)沉積法上海應(yīng)物所金納米粒子的催化反應(yīng)納米材料的應(yīng)用催化材料納米材料的應(yīng)用電功能材料 用自組裝法研制納米復(fù)合膜（self assembly membrane)是近年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。含有可離子化側(cè)基的導(dǎo)電聚合物極易與聚陽(yáng)離子化合物自組裝成聚電解質(zhì)的納米復(fù)合膜。改變條件，還可以控制其厚度，這些電功能材料可用之于微電子器件。納米復(fù)合膜陶瓷過(guò)濾機(jī)圖納米材料的應(yīng)用光學(xué)材料 液晶顯示材料 從

8、光學(xué)角度來(lái)說(shuō)，石墨烯是一種“透明”的導(dǎo)體，可以用來(lái)替代現(xiàn)在的液晶顯示材料。目前的液晶顯示器利用的是以銦為基礎(chǔ)的金屬氧化物薄膜，而銦這種金屬十分稀有，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)就可能出現(xiàn)供應(yīng)短缺。另外，與目前電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的重要原材料硅相比，石墨烯也具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此它將來(lái)有望取代硅，在電子產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 液晶顯示材料納米材料的應(yīng)用納米材料的應(yīng)用儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料 氫能是人類未來(lái)最理想的能源，其熱值高，資源豐富，無(wú)毒無(wú)污染，并可再生。氫-氧燃料電池可做汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，達(dá)到零排放。納米材料可以作為儲(chǔ)氫材料，反復(fù)循環(huán)使用。研究表明許多合金可作為儲(chǔ)氫材料，如LaNi5,FeTi的納米顆?？勺鳛閮?chǔ)氫材料，若包覆V，Pd后，其儲(chǔ)氫性能將更大提高。碳納米管作為儲(chǔ)氫材料納米材料的應(yīng)用磁功能材料 納米磁性材料應(yīng)用最著名的例子就是納米藥物磁粒子在腫瘤治療上的應(yīng)用。納米藥物磁粒子利用納米Fe3O4和-Fe3O4的順磁性，包覆藥物后制成納米級(jí)藥物粒子，利用外磁場(chǎng)的引導(dǎo)把藥物粒子引導(dǎo)定位到病灶處，然后用交變磁場(chǎng)進(jìn)行加熱，用以殺滅癌細(xì)胞。 磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用它作為磁記錄材料，可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。新型納米技術(shù)有效攻擊癌細(xì)胞納米材料