納米作業(yè)答案公開課一等獎?wù)n件省課獲獎?wù)n件

作業(yè)1.什么是納米？2.納米科學(xué)與技術(shù)概念？其基本含義是什么？3.最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題是著名物理學(xué)家是————4.納米科學(xué)與技術(shù)對人類社會發(fā)展具有那些深遠(yuǎn)影響？5.簡述納米科學(xué)與技術(shù)有哪些研究領(lǐng)域。6.簡述如何結(jié)識納米安全和納米標(biāo)準(zhǔn)化。第1頁1、什么是納米？納米是一種長度單位，即為10－9米。英文稱為nanometer，縮寫為nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m1nm大約是10個氫原子緊密排列長度，比頭發(fā)寬度要小8萬倍。第2頁2、什么是納米科學(xué)和技術(shù)？納米科學(xué)和技術(shù)是指在納米尺度（1～100nm）上研究物質(zhì)組成體系運動規(guī)律和互相作用，以及在應(yīng)用中實現(xiàn)特有功能和智能作用多學(xué)科交叉科學(xué)和技術(shù)。納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期興起新技術(shù)，其基本含意是在納米尺寸（1～100nm）范圍內(nèi)結(jié)識和改造自然，通過直接操縱和安排原子、分子而達成創(chuàng)新目標(biāo)。第3頁3最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題是著名物理學(xué)家，1965年諾貝爾獎取得者理查德·費曼（RichardFeynman）。第4頁4.納米科技深遠(yuǎn)影響(1)納米科技將促使人類認(rèn)知革命。首先，納米科技科學(xué)意義體目前：納米尺度下物質(zhì)世界及其特性，是人類較為陌生領(lǐng)域，也是一片新研究疆土。其次，由于納米科技是對人類認(rèn)知領(lǐng)域新疆域開拓，人類將承當(dāng)對新理論和新發(fā)覺重新學(xué)習(xí)和理解任務(wù)。再次，從人類將來發(fā)展角度看，可連續(xù)發(fā)展將是人類社會進步唯一選擇。第5頁(2)納米科技將引發(fā)一場新工業(yè)革命。摩爾定律：每18個月，計算機芯片集成晶體管數(shù)量將會在原有基礎(chǔ)上翻一番。為了突破信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，我們必須研究納米尺度中理論問題和技術(shù)問題，建立適應(yīng)納米尺度新集成辦法和新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于量子效應(yīng)，微電子器件極限線寬一般以為是70nm。第6頁生命科技也面臨著在納米科技影響下變革。納米科技不但對信息和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性影響，并且也促使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“舊貌換新顏”。第7頁(3)納米科技將影響將來人類生活方式和思維方式。納米科技將影響人類生活方式:納米電子學(xué)將使電子計算機體積愈來愈小，功能愈來愈強大；超高密度海量信息存放能將圖書館里所有資料裝入上衣口袋里，提供隨時閱讀；加上全球網(wǎng)絡(luò)通信，學(xué)習(xí)不受時間、空間限制。全息電視使人有身臨其境感覺，隨時能夠虛擬旅游、看電影;醫(yī)生帶著流動醫(yī)院和藥房上門服務(wù)。第8頁納米科技將影響人類思維方式:要研究和理解納米世界，加工制造納米器件和機器，需要多學(xué)科知識，需要洞察力、想像力和欣賞、審美能力，需要形象思維和邏輯思維并重。第9頁5.簡述納米科學(xué)與技術(shù)有哪些研究領(lǐng)域。納米科技是由材料、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)及機械學(xué)等多種學(xué)科互相交叉而形成新科學(xué)?？蓺w納為三個方面：納米材料、納米器件、納米尺度檢測與表征。其中納米材料是納米科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)；納米器件研制水平和應(yīng)用程度是我們是否進入納米時代主要標(biāo)志；納米尺度檢測與表征是納米科學(xué)技術(shù)研究必不可少伎倆，是試驗與理論主要基礎(chǔ)。第10頁6.簡述如何結(jié)識納米安全和納米標(biāo)準(zhǔn)化。③納米技術(shù)正面效應(yīng)和負(fù)面效應(yīng)是互相依賴、互相制約兩個方面，在研究中處于同等主要地位，納米安全性和納米標(biāo)準(zhǔn)化研究是納米科學(xué)內(nèi)涵不可或缺主要方面。②所謂納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就是有關(guān)納米構(gòu)造產(chǎn)品生產(chǎn)、性能測試技術(shù)、運輸和使用技術(shù)規(guī)范性文獻。市場上很多“納米商品”還不是真正意義上“納米產(chǎn)品”，某些商家為了商業(yè)利益亂貼“納米”標(biāo)簽，玩弄“納米技術(shù)戲法”，“納米水”、“納米冰箱”等。納米產(chǎn)品識別問題已成為突出問題。目前，廣大消費者對納米技術(shù)及其產(chǎn)品知識理解不多，因此造成了納米產(chǎn)品無序發(fā)展，迅速發(fā)展納米產(chǎn)品市場急需納米標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范。①納米技術(shù)是20世紀(jì)新興科學(xué)技術(shù)之一，它特點是，一方面有也許給人類帶來巨大效益，另一方面又也許引發(fā)巨大風(fēng)險。由于納米粒子小，移動性強，反應(yīng)性高，能穿透生物膜進入細(xì)胞、組織和器官，通過吸入和消化，納米粒子可進入血液，一旦進入血流，納米材料可周身運輸，被腦、心、肺、肝、腎、脾、骨髓和神經(jīng)系統(tǒng)吸取。納米材料被細(xì)胞線粒體和細(xì)胞核吸取，也許引發(fā)DNA突變，誘發(fā)線粒體構(gòu)造損傷，甚至造成細(xì)胞死亡。已有某些動物試驗初步證明納米材料對機體有毒性，對機體健康、生命有危害，也有長期接觸納米粒子工人受到傷害以致死亡臨床報告。因此在發(fā)展納米科技同步必須進行納米安全性研究。第11頁思考題被納米科技形象稱為“眼”和“手”掃描探針顯微鏡，其作為納米科技主要研究伎倆，其中包括————系列和————系列。2.掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡在觀測樣品方面有什么差異？簡單概述。3.簡述鉛筆法、沾水筆法和鋼筆法在放置原子時各自原理。第12頁被納米科技形象稱為“眼”和“手”掃描探針顯微鏡，其作為納米科技主要研究伎倆，其中包括————————————系列和——————————————————系列。掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（AFM）第13頁STM基本原理是量子隧道效應(yīng)。工作特點是利用針尖掃描樣品表面，通過統(tǒng)計隧道電流獲取顯微圖像，因此它只能用于觀測導(dǎo)體和半導(dǎo)體等導(dǎo)電材料表面構(gòu)造。AFM是通過探針與被測樣品之間薄弱互相作用力(原子力)來取得物質(zhì)表面形貌信息。因此，它能用于觀測包括絕緣體在內(nèi)所有材料表面構(gòu)造。2.掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡在觀測樣品方面有什么差異？簡單概述。第14頁3.簡述鉛筆法、沾水筆法和鋼筆法在放置原子時各自原理。（1）鉛筆法所放置原子直接起源于STM針尖材料。與鉛筆尖上材料轉(zhuǎn)移到紙面上情形相同。由于這一種方式很難控制針尖材料上單個原子蒸發(fā)，一般只能用于較大原子團簇放置，適用于異質(zhì)原子人工構(gòu)造加工，如把金屬Au或Pt針尖上原子放置到Si原子表面加工納米尺度點或線構(gòu)造。（2）蘸水筆法所放置原子不是起源于STM針尖材料，而是先用針尖從樣品上某處提取某些原子，然后再將這些吸附在針尖上原子逐一地放置到所需特定位置上去，就像寫毛筆字。方式適用于加工同類單原子構(gòu)造，如在Si表面加工Si原子構(gòu)造。（3）鋼筆法這種方式則是尋找一種辦法，將某種所需原子源源不停地供應(yīng)到STM針尖上，再源源不停地放置樣品表面上去。這種方式則能夠加工與表面和針尖異質(zhì)原子構(gòu)造，如在Si表面加工H原子構(gòu)造。第15頁作業(yè)2.納米材料具有那些奇異特性？3.人們發(fā)覺鴿子、海豚、蝴蝶及蜜蜂等具有回歸本事，它們是如何辨別方向？1.簡述納米材料概念與分類。第16頁1.簡述納米材料概念與分類。①納米材料是指材料幾何尺寸達成納米級尺度水平，并且具有特殊性能材料。20世紀(jì)80年代，納米材料定義為1~100nm尺度范圍內(nèi)納米顆粒（納米晶）和由納米顆粒組成薄膜和塊體。目前納米材料廣義定義是指在三維空間中最少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或由納米基本單元組成材料。其性質(zhì)完全不一樣于常規(guī)材料，而具有特殊性。第17頁②納米材料基本單元，按其三維空間中未被納米尺度約束維數(shù)劃分，能夠分為：零維納米材料：空間三維尺寸都處于納米尺度，如納米顆粒、原子團簇等；一維納米材料：在三維空間中，有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；二維納米材料：只在三維空間有一維處于納米尺度，如納米薄膜、多層薄膜等：三維納米材料：由納米材料基本單元組成塊體。第18頁一般規(guī)律：

100nm，表面原子擁有率20%

1nm，表面原子擁有率99%表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比伴隨納米粒子尺寸減小而大幅度地增加，粒子表面能及表面張力也伴隨增加，從而引發(fā)納米粒子性質(zhì)變化。伴隨微粒子粒徑變小，其表面所占有粒子數(shù)目呈幾何級數(shù)增加。（1）表面效應(yīng)2.納米材料具有那些奇異特性？表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)

第19頁（2）小尺寸效應(yīng)

伴隨顆粒尺寸量變，在一定條件下會引發(fā)顆粒性質(zhì)質(zhì)變，從而產(chǎn)生如下一系列新奇性質(zhì)：特殊力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、懸浮液和動力學(xué)性質(zhì)等。當(dāng)超細(xì)微粒尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)相干長度或透射深度等物理特性尺寸相稱或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒表面層附近原子密度減小，聲、光、電磁、熱力學(xué)等物性均會發(fā)生變化，這就是所謂納米粒子小尺寸效應(yīng)，又稱體積效應(yīng)。第20頁（3）量子尺寸效應(yīng)

這一現(xiàn)象出現(xiàn)使納米銀與一般銀性質(zhì)完全不一樣，一般銀為良導(dǎo)體，而納米銀在粒徑不大于20nm時卻是絕緣體。在納米材料中，微粒尺寸達成與光波波長或者其他相干波長等物理特性尺寸相稱或更小時，金屬費米能級附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散并使能隙變寬現(xiàn)象，叫納米材料量子尺寸效應(yīng)。第21頁(4)宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)是基本量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子總能量不大于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)覺某些宏觀量，例如微顆粒磁化強度，量子相干器件中磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。第22頁3.人們發(fā)覺鴿子、海豚、蝴蝶及蜜蜂等具有回歸本事，它們是如何辨別方向？鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微磁性顆粒，使此類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸本事。第23頁作業(yè)1.富勒烯C60構(gòu)造？2.簡述富勒烯C60物理和化學(xué)性質(zhì).3.簡述富勒烯C60潛在應(yīng)用。4.簡述碳納米管構(gòu)造與分類。5.簡述碳納米管物理特性。6.簡述碳納米管應(yīng)用前景。第24頁C60分子構(gòu)造圖C60中20個正六邊形和12個正五邊形組成圓球形構(gòu)造，共有60個頂點，分別由60個碳原子所占有，直徑為0.7nm，經(jīng)證明它們屬于碳另一種同素異形體.1.富勒烯C60構(gòu)造？第25頁2.簡述富勒烯C60物理和化學(xué)性質(zhì).C60具有很高對稱性，是最穩(wěn)定富勒烯分子，由于C60晶體構(gòu)造上特點，使它展現(xiàn)出許多特殊物理性質(zhì)。C60為黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔點>700℃；幾乎不溶于水，但在某些非極性分子溶液中有較高溶解度；C60能在不裂解情況下升華；C60可壓縮率高，這個值是金剛石40倍，石墨3倍，這表白C60也許是已知固體碳中彈性最大，它抗沖擊能力比迄今所知所有粒子都要強物理性質(zhì)第26頁化學(xué)性質(zhì)由于C60分子球形空間構(gòu)造存在著離域大共軛л鍵，具有芳香性，能夠進行氧化、還原、加成（包括鹵化與疊氮化合物、碳烯、氫等反應(yīng)）、周環(huán)（[2+2]和[2+4]等）和聚合或共聚合等反應(yīng)。C60不能直接進行取代反應(yīng)，但它衍生物可進行取代反應(yīng)。第27頁3.簡述富勒烯C60潛在應(yīng)用。由于C60分子特殊構(gòu)造，其在材料科學(xué)、高分子材料、催化、電化學(xué)、超導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如：①C60超導(dǎo)性：當(dāng)堿金屬嵌入C60分子之間空隙后，C60與堿金屬系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，如K3C60即為超導(dǎo)體，且具有很高超導(dǎo)臨界溫度（18K）；②氣體貯存：能夠儲存氫氣和氧氣；

③增強金屬：提升金屬材料強度比傳統(tǒng)炭黑更加好；④與過渡金屬(如鉑系金屬和鎳)形成一系列絡(luò)合物作為新型催化劑；⑤以C60光學(xué)限制性為基礎(chǔ)，可研制出光限制產(chǎn)品，如防護眼鏡；⑥在生物醫(yī)學(xué)方面，能夠殺死癌細(xì)胞，清除機體內(nèi)自由基；⑦用于分離空氣中氧氣和氮氣；⑧對高分子材料改性，賦予高分子材料新性能，如導(dǎo)電、光學(xué)性質(zhì)。第28頁4.簡述碳納米管構(gòu)造與分類。它主要由六角網(wǎng)狀石墨烯片組成數(shù)層到數(shù)十層同軸圓管，是一種具有典型層狀中空構(gòu)造一維納米材料。層與層之間保持固定距離，約為0.34nm，一般直徑在幾納米到幾十個納米之間，長度為數(shù)微米，甚至毫米，管子兩端基本上都封口。構(gòu)造：分類①石墨烯片層數(shù)不一樣,碳納米管能夠分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)2種。②根據(jù)組成碳納米管石墨層片螺旋性，能夠?qū)伪谔技{米管分為非手性型（對成）和手性型（不對稱）。③按照導(dǎo)電性能，碳納米管能夠分為導(dǎo)體性管和半導(dǎo)體性管。④按排列情況分類，碳納米管又分為定向碳納米管和非定向碳納米管。第29頁5.簡述碳納米管物理特性。①具有良好力學(xué)性能，CNTs抗拉強度是鋼100倍,密度卻只有鋼1/6；彈性模量與金剛石相稱，約為鋼5倍；是目前可制備出具有最高比強度材料。

②具有良好導(dǎo)電性，根據(jù)碳納米管直徑和螺旋角度，大約1/3是金屬導(dǎo)電性，而2/3是半導(dǎo)體性。單壁碳納米管載流能力可達109A/cm2量級，是銅導(dǎo)線導(dǎo)電能力1000倍。

③具有良好場發(fā)射性能，且定向碳納米管薄膜具有高太陽能吸取。④合適排列碳納米管可得到非常高各向異性熱傳導(dǎo)材料。在管軸平行方向熱交換性能很高，但在其垂直方向熱交換性能較低。第30頁6.簡述碳納米管應(yīng)用前景。①因其多層中空管狀構(gòu)造，是迄今為止最佳儲氫材料。②其特殊管狀構(gòu)造和良好力學(xué)性質(zhì)，可作為探針型電子顯微鏡等探針。③可用作超級電容器電極材料。使得電容器極限容量驟然上升了3-4個數(shù)量級，其比功率可達成千瓦/kg數(shù)量級以上，循環(huán)壽命在萬次以上④用于鋰離子充電電池電極材料。其電容量遠(yuǎn)大于石墨電容量。

⑤利用其場致發(fā)射特性，制作平板顯示屏。⑥碳納米管體現(xiàn)出較強寬帶微波吸取性能，是一種有前程抱負(fù)微波吸取劑，可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。

⑦在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，如破壞癌細(xì)胞、在碳納米管上生長骨骼細(xì)胞等。⑧在高分子改性上也有廣泛應(yīng)用，提升高分子材料強度和韌性等。第31頁作業(yè)1.簡述納米TiO2光催化機理。2.簡述納米TiO2構(gòu)造特性。（參見課本P145）3.簡述納米TiO2在環(huán)境保護方面用途。4.簡述納米SiO2特性、用途。（參見課本P152-155）5.簡述納米Al2O3特性、用途。6.簡述納米CaCO3特性、用途。（參見課本P171/176-177）第32頁1.簡述納米TiO2光催化機理。納米TiO2在光照條件下吸取光能，TiO2價電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，從而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生光生電子和價帶上產(chǎn)生光生空穴，即生成電子-空穴對。在價帶產(chǎn)生對吸附于表面污染物直接進行氧化還原，或氧化表面吸附OH-，生成強氧化性羥基自由基·OH，將污染物氧化。

第33頁3.簡述納米TiO2在環(huán)境保護方面用途。TiO2具有生物和化學(xué)惰性，不會發(fā)生光和化學(xué)腐蝕，價格便宜，是首選環(huán)境工程使用光催化劑。①污水處理。在光照下，能夠無選擇性降解多種溶于或不溶于水有機化合物，如烴類、鹵代物、羧酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑等。除有機物外，還可對無機污染廢水處理。

如把Cr6+還原到Cr3+②空氣凈化器。采取光催化氧化技術(shù)能在室溫下利用空氣中水蒸汽和氧氣清除空氣中污染物③防霧及自清潔涂層。在紫外光照射下，水在TiO2薄膜上完全浸潤，涂到玻璃上，能夠起到防結(jié)霧作用。利用TiO2薄膜在太陽光照射下產(chǎn)生強氧化能力和超親水性，能夠?qū)崿F(xiàn)物體表面自清潔。

④高效殺菌劑。利用納米TiO2光催化性能不但能殺死環(huán)境中細(xì)菌，并且能同步降解由細(xì)菌釋放出有毒復(fù)合物。

⑤紫外線吸取。納米TiO2具有良好屏蔽紫外線功能，體現(xiàn)出優(yōu)秀紫外線吸取性能。

第34頁5.簡述納米Al2O3特性、用途。納米Al2O3粉，具有高強度、高硬度、抗磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣性好、表面積大等優(yōu)秀特性，是一種主要化工原料。被廣泛地應(yīng)用于精密陶瓷、復(fù)合材料、催化、電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)及新材料等方面。

第35頁納米復(fù)合材料學(xué)概念是什么？其分類辦法有哪些？復(fù)合材料是兩種或兩種以上性質(zhì)不一樣材料，通過多種工藝伎倆組合而成復(fù)合體。復(fù)合材料構(gòu)造是以一種相為連續(xù)相，稱為基體，而另一相是以一定形態(tài)分布在連續(xù)相中分散相，稱為增強體。假如增強體是納米級話，如納米顆粒、納米晶片、納米晶須、納米纖維等，就稱為納米復(fù)合材料。第36頁按基體種類分聚合物基納米復(fù)合材料按增強體種類分顆粒增加納米復(fù)合材料晶須增加納米復(fù)合材料纖維增加納米復(fù)合材料按基體形狀分0-0復(fù)合0-2復(fù)合0-3復(fù)合納米復(fù)合材料按增強體形狀分零維（顆粒狀）一維（纖維狀）二維（層片狀）按復(fù)合方式分晶內(nèi)型晶間型晶內(nèi)-晶間混合型納米-納米型按用途分構(gòu)造納米復(fù)合材料功能納米復(fù)合材料智能納米復(fù)合材料聚合物/聚合物無機物/聚合物無機基納米復(fù)合材料陶瓷/金屬陶瓷/陶瓷金屬/金屬金屬/陶瓷1.2分類

第37頁3.與一般塑料相比，納米復(fù)合塑料有哪些優(yōu)良性能？5.常用紫外線屏蔽劑有哪些？①塑料增韌增強作用。無機填料填充基體，一般會減少制品成本，提升強度、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，但往往會破壞體系韌性；而納米材料，一般使微粒粉體添加到塑料中，對體系即增強又增韌，具有沒有機填料和橡膠粒子雙重作用效果。②改善塑料抗老化性。納米材料具有很強紫外線吸取作用，對塑料基體具有紫外線屏蔽效果，避免塑料光輻射老化，提升塑料制品使用壽命。③賦予塑料功能性等。納米材料賦予塑料功能化，如抗菌殺菌納米復(fù)合塑料、抗靜電納米復(fù)合塑料、自清潔納米復(fù)合塑料等。納米復(fù)合塑料具有一般工程塑料所不具有優(yōu)秀性能。

常用紫外線屏蔽劑大多是金屬、金屬氧化物及其鹽類。典型如TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、高嶺土和CaCO3等。第38頁1.什么是納米陶瓷？狹義陶瓷概念是：以黏土、長石和石英等礦物原理經(jīng)篩選、粉碎、成形、干燥、燒結(jié)而得到制品，主要成份為硅酸鹽類，一般指傳統(tǒng)陶瓷。廣義陶瓷概念是：以天然硅酸鹽礦物制成制品或窯業(yè)產(chǎn)品，包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、磚瓦等。當(dāng)代陶瓷概念不但包括狹義和廣義兩種概念，并且已賦予新含義。納米陶瓷是指具有納米尺度構(gòu)造當(dāng)代陶瓷。

4.簡述納米陶瓷性能特點。（一）力學(xué)性能

超塑性增韌性高強度（二）熱學(xué)性能

比熱熱膨脹導(dǎo)熱或超絕熱（三）光學(xué)性能

紅外吸?。ㄋ模┐艑W(xué)性能

熒光現(xiàn)象光致發(fā)光電阻和電導(dǎo)介電特性壓電效應(yīng)第39頁6.什么是納米金屬？所謂納米金屬是利用納米技術(shù)制作金屬材料，具有納米級尺寸組織構(gòu)造，在其