納米材料和納米結構

納米材料和納米結構第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日主要內容一、納米科技簡介二、納米結構單元三、納米材料特性四、納米材料制備五、納米微粒尺寸的評估六、納米結構和納米材料的應用第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日美國著名物理學家，1965年諾貝爾物理獎獲得者R.PFeynman在1959年曾經說過：“如果有一天能按人的意志安排一個個原子分子將會產生什么樣的奇跡”，納米科學技術的誕生將使這個美好的設想成為現(xiàn)實。

納米科技是指研究尺寸在0.1-100nm之間的物質組成的體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。納米材料是納米科學技術的一個重要的發(fā)展方向。納米粒子又稱超細微粒，屬于膠體粒子大小的范疇。它們處于原子簇和宏觀物體之間的過度區(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，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)。一、納米科技簡介第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日飛檐走壁的壁虎壁虎可以在任何墻面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術。壁虎腳上覆蓋著十分纖細的茸毛，可以使壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。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)百萬個的附著點，從而支撐其體重。這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠穿過天花板。潔身自好的蓮花一提到蓮花，人們就會很自然地聯(lián)想到荷葉上滾動的露珠，即所謂的蓮花效應。通過電子顯微鏡，可以觀察到蓮葉表面覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米突包，而每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛。這是自然界中生物長期進化的結果，正是這種特殊的納米結構，使得荷葉表面不沾水滴。借助蓮花效應，蓮花可保持葉子清潔。當荷葉上有水珠時，風吹動水珠在葉面上滾動，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行光合作用。大自然中的納米高手第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日貝類——嫻熟的粘合高手普通的貝類就是與蔬菜一起烹飪、在飯店每天都可以吃到的那種，堪稱納米粘合技術的高手。當它想把自己貼在一塊巖石上時，就會打開貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個吸盤，然后通過細管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束，釋放出強力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫，起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個減震器上，這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷。這種牢固的膠粘效果就來自黏液和巖石納米尺度下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第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日細菌——世界上“跑”得最快的生物利用“羅盤”定位的蜜蜂水面上自由行走的水黽會吐絲的蜘蛛第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、納米結構單元構成納米材料的結構單元包括限定的團簇或人造原子團簇、納米微粒、納米管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜、納米單層膜及多層膜等。1、原子團簇

指幾個至幾百個原子的聚集體，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整數(shù)）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。一元原子團簇：包括金屬團簇(如Nan,Nin等)和非金屬團簇(如C60,C70團簇)；二元原子團簇：包括InnPm,AgnSm；多元原子團簇：Vn(C6H6)m，原子簇化合物：原子團簇與其他分子以配位化學鍵結合形成的化合物。原子團簇的奇異特性：具有碩大的表面積比而呈現(xiàn)出高的化學活性和催化活性；幻數(shù)效性；原子團尺寸小于臨界值時的“庫倫爆炸”；原子團逸出功的振蕩行為等。光的量子尺寸效應和非線形效應，碳管的導電性等。第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.納米微粒

納米微粒(nanoparticles)是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，它的尺度大于原子團簇(cluster)，小于通常的微粉，通常把僅包含幾個到數(shù)百個原子或尺寸小于1nm的粒子稱為簇，它是介于單個原子與固態(tài)之間的原子集合體。3.人造原子：是由一定數(shù)量的實際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。研究人造原子特有的量子效應將為設計和制造納米結構器件奠定理論基礎。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稱性是多種多樣的，真正原子可以用簡單的球形和立方形來描述。（3）人造原子電子間強交互作用比實際原子復雜的多。（4）實際原子中電子受原子核吸引作軌道運動，而人造原子中的電子處于拋物線的勢阱中，具有自由電子的特征。第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日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1萬倍，而它的硬度要比鋼材堅硬100倍。它可以耐受6500°F（3593℃）的高溫，并且具有卓越的導熱性能。納米管既可以用作金屬導電體，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體。納米管在極低的溫度下還具有超導性。納米棒、納米絲

尺寸在納米量級的晶粒構成的薄膜，或將納米晶粒鑲嵌于某種薄膜中構成的復合膜，以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日同軸同軸納米電纜同軸納米電纜是指直徑為納米級電纜，芯部通常為半導體或導體的納米絲，外面包敷異質納米殼體(導體、半導體或絕緣體)，外部的殼體和芯部的絲是共軸的。由于這類材料所具有的獨特性能、豐富的科學內涵、廣泛的應用前景以及在未來納米結構器件中占有戰(zhàn)略地位。合肥微尺度物質科學國家實驗室納米材料與化學研究部俞書宏教授領導的課題組在同軸微納米電纜合成的系列研究中成功制備了結構優(yōu)美的項鏈狀銅/交聯(lián)PVA核殼微納電纜，第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日

由于極細的晶粒，大量處于晶界和晶粒內缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等。1.小尺寸效應當超細微粒的尺寸與光波波長或德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，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，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。

這種體積效應為實際應用開拓了廣泛的新領域。例如：可利用納米粒子的熔點低，采取粉末冶金的新工藝；又如調節(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

、隱形飛機等。

三、納米材料特性第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.表面效應表面效應又稱界面效應，是指納米微粒的表面原子數(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大的比例。因此，納米粒子是熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)，易于自發(fā)的凝聚，對已經制備好的粒子需設法保護。3.量子尺寸效應當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(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，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，導致納米銀與普通銀的性質完全不同，普通銀為導體，而粒徑小于20nm的銀卻是絕緣體。第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日4.宏觀量子隧道效應微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應.近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。

此外還有庫侖堵塞與量子隧穿效應，介電限域效應，量子限域效應。量子隧穿效應限定了磁帶、磁盤進行信息存儲的時間極限。宏觀量子隧道效應與量子尺寸效應，是未來微電子器件的基礎，或者說確立了現(xiàn)有微電子器件進一步微型化的極限。總之，由于納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、光學材料、高致密度材料的燒結、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應用前景，因而成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域中的研究熱點。第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日四、納米粒子的制備納米材料類別化學法物理法綜合法納米粉體沉淀法（共沉淀，均相沉淀）化學氣相凝聚（CVC），水熱法，相轉移法，溶膠-凝膠法惰性氣體沉積法，蒸發(fā)法，激光濺射法，真空蒸鍍法，等離子蒸發(fā)法，球磨法，爆炸法，噴霧法，溶劑揮發(fā)法輻射化學合成法納米膜材料溶膠-凝膠法，電沉積法，還原法惰性氣體蒸發(fā)法，高速粒子沉積法，激光濺射法，超聲沉積法納米晶體和納米塊非晶晶化法球磨法，原位加壓法，固相猝火法激光化學反應法無機-有機雜化納米材料原位聚合法，差層法共混法輻射化學合成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構自組裝合成，模板法合成，溶膠-凝膠法，化學氣相沉積法電化學沉積第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、納米微粒尺寸的評估

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表征。粒徑是以單一顆粒為對象表示顆粒的大小，而粒度是以顆粒群為對象表示所有顆粒大小的總體概念。對于顆粒群來說，重要的粒度特征是其粒度的分布和平均粒度。粒徑評估的方法很多，主要有透射電鏡觀察法，X射線衍射線線寬法（謝樂公式），比表面法，X射線小角散射法，拉曼散射法，光子相關譜法等。1.透射電鏡觀察法這種方法可觀察納米粒子的平均直徑或粒徑的分布。缺點是：由于納米粒子很難分散，故這種方法測得的顆粒粒徑往往是團聚體的粒徑。另一個缺點是缺乏統(tǒng)計性，觀察到的粒子都是局部區(qū)域的，不具有代表性。第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.

X射線衍射線線寬法（謝樂公式）

d-晶粒粒度，λ-入射X射線波長，B-晶粒度細化一引起的寬化度，θ-衍射角。顆粒為單晶時，測得的是顆粒度，顆粒為多晶時，測得的是組成單個顆粒的單個晶粒的平均晶粒度。3.比表面法通過測定單位重量的比表面積Sw,可由下式計算納米粒子直徑（設顆粒呈球形）

式中，ρ為密度，d為比表面積直徑；比表面積Sw可通過BET多層氣體吸附法測量?？赏ㄟ^比表面儀測量比表面。第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日4.X射線小角散射法小角散射是指X射線中倒易點陣原點結點附近的相干散射現(xiàn)象。散射角大約為0.01~0.1rad數(shù)量級。式中，a為常數(shù)，R與粒子的質量及它相對于重心的轉動慣量I0的關系滿足下式如果得到InI-ε2直線，由直線斜率δ得到并假設顆粒為球形，則R=0.77r，從而求得顆粒的半徑。

第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日6.光子相關譜法懸浮于液體中的顆粒不停地作布朗運動，其運動的強度反映了顆粒的大小，相同條件下，大顆粒的布朗運動緩慢，而小顆粒的布朗運動劇烈；當光束照射到顆粒上時，產生散射光，散射光的強度隨時間而波動，檢測器記錄這一系列隨時間而波動的散射光強度，并傳送至相關儀器，得到一個與時間相關的散射光的曲線，分析這個相關曲線就可以得到相關的粒度信息。5.拉曼散射法

拉曼散射法可測量納米晶粒的平均粒徑，由下式計算：式中，B為常數(shù)，△ω為納米晶拉曼譜中某一晶峰的峰位相對于同樣材料的常規(guī)晶粒的對應晶峰的峰位的偏移量。第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日1．納米結構材料:包括純金屬、合金、復合材料和結構陶瓷，具有十分優(yōu)異的機械、力學及熱力性能。可使構件重量大大減輕。2．納米催化、敏感、儲氫材料：用于制造高效的異質催化劑、氣體敏感器及氣體捕獲劑，用于汽車尾氣凈化、石油化工、新型潔凈能源等領域。3．納米光學材料：用于制作多種具有獨特性能的光電子器件。如量子阱GaN型藍光二極管、量子點激光器、單電子晶體管等。4．納米結構的巨磁電阻材料：磁場導致物體電阻率改變的現(xiàn)象稱為磁電阻效應，對于一般金屬其效應常可忽略。但是某些納米薄膜具有巨磁電阻效應。在巨磁電阻效應發(fā)現(xiàn)后的第6年，1994年IBM公司研制成巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍。這種材料還可以制作測量位移、角度的傳感器，廣泛應用于數(shù)控機床、汽車測速、非接觸開關、旋轉編碼器中。5．納米微晶軟磁材料用于制作功率變壓器、脈沖變壓器、扼流圈、互感器等。6．納米微晶稀土永磁材料將晶粒做成納米級，可使釹鐵硼等稀土永磁材料的磁能積進一步提高，并有希望制成兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡姸取⒏叱C頑力的新型永磁材料（通過軟磁相與永磁相在納米尺度的復合）。六、納米結構和納米材料的應用第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日

醫(yī)藥使用納米技術能使藥品生產過程越來越精細，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量