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1、1,纳米材料的基本概念与性质,概念，性质与应用,2,一天，桑迪亚国家实验室科学家杰弗布伦尼克将 氧化钽晶体插入扫描电子显微镜中，开始搜集图片，他发现这台仪器并没有得到适当地清洁。幸运的是，一些小的聚苯乙烯珠子从上一次实验中遗留下来，粘在实验 样本的一侧，形成了一幅令人难以置信的图案，看上去仿佛是一个人向悬崖边奔跑。,3,纳米,长度单位，纳米10-9米。 原子0.2-0.4nm 病毒 10-60nm 燃烧烟雾 10-80nm 颜料颗粒 80-100nm 沙漠灰尘 100nm 可见光波数百纳米 一般细菌 30-10,000nm 红血球6,0009,000nm 头发丝10,000nm,1m=10-6
2、m,1mm=10-3m,1 nm10-9m,胶体尺寸,4,尺度概念,晶体管,分子：碳纳米管，蛋白质,可见光,5,纳米材料尺寸,nm颗粒，空洞或者结构 与胶体颗粒大小定义接近 胶体为分散系，纳米材料不一定分散，有特殊性能 尺度小于可见光半波长 与磁畴，激子玻尔半径等结构大小相当,6,基本概念,纳米材料 任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或者由小于100nm的基本单元组成的材料称为纳米材料。 原子团簇 包含几个到几百个原子，尺度小于1nm的粒子 纳米微粒 一般尺寸1-100nm。物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著变化的或者两者都显著出现的颗粒叫做纳米微粒。,7,纳米粒子薄膜 掺杂第二相纳米
3、粒子的薄膜 纳米固体 纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的原子排列而获得的具有新原子结构或微结构性质的固体，又分为纳米晶体材料、纳米结构材料 纳米复合材料 纳米材料与纳米材料或者纳米材料与一般材料符合而成的材料,8,纳米材料分类,按组成金属半导体绝缘体 按形态零维一维二维三维复合 复合方式 0-0 不同纳米粒子混合 0-3 纳米粒子掺入体材料 0-2 纳米粒子掺入膜材料 1-3 纳米线/管掺入体材料,9,人工纳米结构,量子点 零维 量子线 一维 量子阱 二维 制备方式 电子束光刻 转印，模板 自组织形成,生物中的纳米材料 零维 蛋白质颗粒，磁性颗粒 一维 DNA，细胞骨架 二维 细胞膜 复合
4、材料 骨架，贝壳等分泌物,10,从上至下的纳米制备方法,11,从下至上的纳米制备方法,12,二氧化硅纳米丝具有令人大为诧异的习惯能自 行组成精美的图画。香港中文大学物理学教授郝少康(S.K. Hark)在扫描电子显微镜下观看二氧化硅纳米丝时，一幅金色向日葵的画面呈现在他的眼前。与植物不同，它们的“肥料”是镓和金催化剂，能让它们长到长度 只有几微米，同时直径保持在10纳米左右。郝少康教授给这幅获奖作品着色，令它们与真实的向日葵看上去更加相似。,13,对比,蚀刻,沉积,14,纳米粒子的基本性质,电子能级的不连续性 久保理论 能级间距 尺寸越小，电子间能级缝隙越大，越不具备金属特性。 量子电导效应
5、量子尺寸效应 当粒径足够小时，有kBT ，金属电子连续能级变为不连续能级 kBT代表了热扰动的大小,15,小尺寸效应 尺寸小于光波 金属对光的强吸收 尺寸小于激子波尔半径 半导体的量子限域效应 尺寸接近单磁畴临界尺寸 高矫顽力 尺寸低于单磁畴临界尺寸 超顺磁性 金属熔点变低,16,尺寸效应,为什么大象的腿看起来很粗？ 为什么昆虫能举起几百倍的重物？ 为什么寒带的动物体型比较大？ 为什么钢丝可以当锯子用？ 直线声波 光波的绕射 热的无规则效应,17,这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其 实它是晶体顶部一层薄薄铁薄膜的磁畴(magnetic domain)。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的
6、。意大利ELETTRA同步辐射光源实验室研究人员索利曼墨索奥尼采用X光线磁循环二色性技术，结合 光电子发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。,18,CNT收音机,19,表面效应 比表面积 3d/R2 表面体积接近整体 表面原子活性大，不同于内部原子 其它物质在表面或者界面扩展快 量子隧道效应 磁化强度，磁通量 电流,20,表面效应的应用,氢电池 电极的巨大储氢能力 探测器 吸收还原性气体，电阻变化 水净化 海水淡化 过滤脏水 污染处理 MIT:可重复利用吸收10倍重量油污的纳米纸,21,纳米粒子的物理特性,形貌与结构 晶体结构的变化 在纳米粒子情况下变为其他晶体结构 晶格尺寸的变化 变大或者变小
7、（随制备方法不同而不同） 热学 电学 磁学 光学 力学,22,纳米粒子的热学性能,熔点，烧结温度，晶化温度降低 原因：界面原子的活性化，具有比体材料更高的平均能量 可以代替昂贵的银作导电浆料 重新结晶,23,纳米粒子的电学性能,金属粒子直径小于一定程度会变得不导电 绝缘体粒子会变得导电，金属-绝缘体复合材料会随金属含量增加而电阻增加 会随环境变化而改变电导率 随吸附气体改变电导率 可以做气体探测器 随磁场改变电导率 磁头，巨磁阻效应,24,电流变液体,大量固体粉末掺入液体制成，如淀粉/玉米油 随着电流的增加而在固体和液体间变换 可用于刹车，减震器等,25,纳米粒子的磁学性能,矫顽力（硬磁材料）
8、 晶粒磁畴时矫顽力最大（小，大，小） 可以增加磁性纪录精度 矫顽力与磁通量的两难（铁磁材料） 超顺磁性（软磁材料） 具有尺寸效应，越小越明显 可作为磁性液体，轴承密封,26,纳米粒子的光学性能,宽频带强吸收 金属纳米粒子变成黑色 半导体纳米粒子的红外宽带吸收 吸收蓝移 能隙变宽 量子限域效应 粒径小于激子玻尔直径 激子吸收增强并且蓝移,27,受激发光,ZnS覆盖的GdSe受紫外线激发后发出的10种不同光,28,纳米微粒发光,发光机制 光致发光： 荧光 吸收光后立刻发光 磷光 吸收光后过一阵子才发光 电子与空穴复合 二极管 直接带隙 间接带隙 量子限域效应 在激子半径左右可增加发光强度 不发光的
9、硅在纳米粒子状态下会发光,29,纳米材料的力学性质,陶瓷材料的韧性 陶瓷材料具有高绝缘，高强度，耐腐蚀等优异特性 陶瓷的缺点：脆性 克服方法： 上釉 纳米陶瓷可以拥有韧性和延展性 可以做切削加工,30,润滑和抛光,纳米粒子对在机油中有重要作用 1：研磨抛光作用 2：表面的填补作用 3：滚珠轴承作用（类似石墨） 纳米粒子表面的不规则性 荷叶的防水功能,31,瑞利散射,粒径小于光波时，发生衍射 散射乳光 胶体特有的散射 粒子越小，散射越小 波长越长，散射越多 光强正比于折射率差异 光强正比于单位粒子数,32,纳米技术的危害,纳米生产体系会破坏当前的经济体系 使得破坏力巨大的工具随手可得 武器（更隐蔽，更大威力） 恐怖袭击（破坏桥梁，污染饮水/食物/原料） 灰色黏质（无限复制的纳米机械） 污染环境，破坏人体 可轻易侵入肺部、肠道，血脑屏障,33,纳米粒子的危害,可能对肺部有伤害 小白鼠实验证实对肺部有强烈伤害 可长期停留于人体体内，不易排出 其他动物实验显示伤害比小白鼠体内小很多,
