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1、纳米功能材料纳米功能材料 思考题思考题第一章、概论第一章、概论1.1.纳米材料定义及分类。纳米材料定义及分类。定义：利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。分类：纳米粒子（零维纳米结构） ；纳米线、纳米棒（一维纳米结构） ；薄膜 （二维纳米结构） ；纳米复合材料和纳米晶材料（三维纳米结构） 。2.2.功能材料定义及分类。功能材料定义及分类。定义：是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。分类：常见的分类方法：（1）按材料的化学键分类：金属材料、无机非金属材料、有机材料、复合材料；（2）按材料物理性质分类：磁性材料
2、、电学材料、光学材料、声学材料、力学材料；其他分类方法：（3）按结晶状态分类：单晶材料、多晶材料、非晶态材料；（4）按服役的领域分类：信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。3.3.按照产物类型，纳米材料如何划分类别。按照产物类型，纳米材料如何划分类别。按照产物类型进行划分：（1）纳米粒子（零维）：通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成；（2）纳米棒或纳米线（一维）：通过模板辅助电沉积，溶液-液相-固相生长技术，和自发各向异性生长的方式合成；（3）薄膜（二维）：通过分子束外延和原子层沉积技术合成；（4）纳米结构块体材料（三维）：例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体 4.4.纳米结构和材料
3、的生长介质类型？纳米结构和材料的生长介质类型？（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等。5.5.按照生长介质划分：按照生长介质划分：（1）气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；（2）液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；（3）固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；（4）混合生长，包括纳米
4、线的气-液-固生长等 6.6.纳米技术的定义？纳米技术的定义？定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新工艺。7.7.制备纳米结构和材料的制备纳米结构和材料的 2 2 大途径是什么？各自的特点或有缺点？大途径是什么？各自的特点或有缺点？两大途径：自下而上；自上而下。8.8.什么是描述小尺寸化的什么是描述小尺寸化的“摩尔定律摩尔定律”？当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。9.9.根据自己的理解，说明促进纳米材料相关科学与技术发展的意义。根据自己的理解，说明
5、促进纳米材料相关科学与技术发展的意义。新世纪高科技的迅速发展对高性能材料的要求越来越迫切,而纳米材料的合成为发展高性能的新材料和对现有材料性能的改善提供了一个新的途径。纳米科技是一门新兴的尖端科学技术。它将是 21 世纪最先进、最重要的科学技术之一,它的迅速发展有可能迅速改变物质产品的生产方式,引发一场新的产业革命,导致社会发生巨大变革。正如像自来水、电、抗生素和微电子的发明带来的变革一样,对人类认识世界和改造世界将会发挥不可估量的作用。10.10.说明表面能随粒子尺寸变化的规律，带来的性能变化主要体现在哪些方面？说明表面能随粒子尺寸变化的规律，带来的性能变化主要体现在哪些方面？表面能 ：产生
6、单位新表面时所需要的能量，也称为表面自由能、表面张力。 可见粒子尺寸越小，其比表面积越大，即表面能越大。PTniAG, 如面心立方结构的表面能：，亦可证实表面能随 21112110221003225442 21aaaa粒子尺寸的减小而增大。表面能高的物质其性能变化：稳定性小，活性高，熔点低，空气中易燃烧，吸附能力强，催化性好，化学活性高11.11.降低表面能的途径和方法是什么？说明其中的原理。降低表面能的途径和方法是什么？说明其中的原理。降低表面能的途径途径：（1）表面驰豫，表面原子或离子向体内偏移，这种过程在液相中很容易发生，而固态表面由于其刚性结构，难度有所提高；（2）表面重构，通过结合表
7、面悬挂键形成新的化学键；（3）表面吸附，通过物理或化学吸附外部物质到表面，形成化学键或弱相互作用如静电或发范德瓦耳斯力；（4）表面固态扩散，导致的成分偏析或杂质富集。减小表面能的方法方法：（将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表面积）（1）烧结，是一种用固-固界面替代固-气界面的工艺，是通过将单个纳米结构无间隙地堆积一起并改变形态的一种方法。 （2）Ostwald 熟化，是 2个单个纳米结构形成一个大的结构的过程。较大纳米结构的生长以牺牲小纳米结构为代价，直到后者完全消失为止。12.12.说明说明 OstwaldOstwald 熟化机理。熟化机理。奥斯特瓦尔德熟化是大粒子吞噬小粒子。减小了固
8、-气表面积。（液态中）小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压，而大粒子具有低溶解度或蒸汽压。为了保持局域浓度平衡，小粒子溶解到周围介质中；小粒子周围的溶质进行扩散；大粒子周围的溶质将沉积。这一过程将持续到小粒子完全消失13.13.曲率与化学势、平衡蒸汽压、溶解度的关系是什么？曲率与化学势、平衡蒸汽压、溶解度的关系是什么？ Young-Laplace 方程 （化学势与曲率关系）：R2Kevin 方程（球形粒子蒸汽压与曲率关系）：kRTPPc2)ln(Gibbs-Thompson 关系式 （溶解度与曲率关系）：kTRR SSc1 21 1)ln(14.14.材料研究的四要素及其相互关系。材料研
9、究的四要素及其相互关系。（1）合成与加工：建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子尺寸到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程；（2）结构与成分：制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果；（3）性质：确定材料功能特性和效用的描述；（4）使用性能：材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。第二章、纳米材料制备方法第二章、纳米材料制备方法1 1、零维纳米粒子的合成方法分类零维纳米粒子的合成方法分类热力学平衡方法：过饱和状态的产生 形核 后续生长动力学方法：限制可用于生长的团簇数量如分子束外延方法；在有限空间中局限形成过程如气溶胶合成
10、法或胶束合成法2 2、纳米粒子的基本特征及要求。纳米粒子的基本特征及要求。（1）小尺寸的要求（2）全部粒子具有相同的大小（也称为均一尺寸或均匀的尺寸分布）（3）相同的形状或形貌（4）不同粒子间和单个粒子内的相同的化学组成和晶体结构（5）单个粒子分散或单分散（无团聚） ；或有团聚但易于再分散 3 3、纳米粒子合成中的均匀、非均匀形核过程？以及两种过程的异同？纳米粒子合成中的均匀、非均匀形核过程？以及两种过程的异同？均匀形核：新相晶核是在母相中均匀地生成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。非均匀形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外表面形核。
11、结构结构成分成分使用使用性能性能性质性质合成合成加工加工相同点：1）形核的驱动力和阻力相同； 2）临界晶核半径相等； 3）形成临界晶核需要形核功； 4）结构起伏和能量起伏是形核的基础； 5）形核需要一个临界过冷度； 6）形核率在达到极大值之前，随过冷度增大而增加。 不同点：与均匀形核相比，非均匀形核的特点： 1）非均匀形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加； 2）非均匀形核的晶核体积小，形核功小，形核所需结构起伏和能量起伏就小；形核容易，临界过冷度小；3）非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角共同决定；临界晶核半径相同时，接触角越小，晶核体积越小，形核越容易； 4）非均匀形核的形
12、核率随过冷度增大而增加，当超过极大值后下降一段然后4 4、晶核生长过程及机制？如何控制晶核的生长？晶核生长过程及机制？如何控制晶核的生长？晶核生长过程包括：（1）生长物质的产生；（2）向生长表面的物质扩散；（3）生长物质吸附到生长表面；（4）不可逆结合生长物质的表面生长。机制：扩散：在生长表面上提供生长物质的过程，包括生长物质的产生、扩散及吸附到生长表面。生长：吸附到生长表面的生长物质，进入到固态结构中。（对于均匀尺寸纳米粒子的形成，期望是扩散控制的生长。 ）生长物质浓度保持很低的水平时，扩散距离将非常大，扩散可能成为控制因素；增加溶液粘度的方法；控制生长物质的供应；当生长物质是通过化学反应产
13、生时，通过副产品浓度、反应物、催化剂控制反应速率。动力学限制生长法：动力学控制生长是空间限制生长，这种生长在有限的源材料被消耗完或可用的空间被完全填充满时，生长就停止。5 5、针对金属、半导体及氧化物纳米粒子的不同特点，举例说明在制备方法上针对金属、半导体及氧化物纳米粒子的不同特点，举例说明在制备方法上的区别（或侧重点）？的区别（或侧重点）？ 【金属】在稀释溶液中，还原金属复合物是合成金属胶质分散体常用的方法，存在多种方法用于促进和控制这种还原反应。单一尺寸金属纳米粒子的合成，通常是将低浓度溶质和聚合物单体粘附于生长表面。低浓度和聚合物单体都能阻碍生长物质从周围溶液中扩散到生长表面，因此扩散过
14、程可能成为初始晶核后续生长的速率限制步骤，导致均匀尺寸纳米粒子的形成。在合成金属纳米粒子时，确切地合成金属胶质分散体，各种类型的原料、还原剂、其它化学物质和方法用于提高或控制还原反应、初始形核和初始晶核的后续生长。【半导体】【氧化物】均匀形核、随后扩散控制生长都适用于氧化物系统；实际的方法对不同氧化物体系明显不同；由于氧化物比半导体和金属在热力学和化学稳定性上更稳定，其纳米粒子的反应和生长比较难控制；溶胶凝胶法是氧化物纳米粒子最常用的方法。6 6、举例说明纳米材料溶胶举例说明纳米材料溶胶- -凝胶方法。凝胶方法。是合成无机、有机-无机混合物胶体分散体的湿化学方法；特别适合于氧化物、氧化物基混合
15、物的制备，已制备粉末、纤维、薄膜、块状材料的胶体分散体；合成胶体分散体的基本原则和一般方法相同；优势：较低处理温度、分子水平的均匀性；合成金属氧化物，温度敏感的有机-无机混合物、不符合热力学条件或亚稳材料尤其有用；溶胶-凝胶过程：水解、前驱体的缩合有机溶剂或水溶剂可用于溶解前驱体；前驱体可以是金属醇盐、无机盐、有机盐，催化剂可促进水解和缩合反应7 7、举例说明纳米材料气相制备方法。举例说明纳米材料气相制备方法。气相制备方法：纳米粒子通过气相反应的方式合成。物理气相法：氢等离子蒸发法合成金属及合金纳米粒子（例：直流电弧等离子体蒸发法）真空确保生长物质的低浓度，促进扩散控制生长；高温促进蒸发、气化
16、、化学反应。化学气相法：氢气中燃烧四氯化硅产生高分散的二氧化硅纳米粒子（例：原料+载体蒸发/分解金属纳米粉）8 8、什么是纳米粒子的动力学限制生长法？其特点及分类？什么是纳米粒子的动力学限制生长法？其特点及分类？ 动力学控制生长是空间限制生长，这种生长在有限的源材料被消耗完或可用的空间被完全填充满时，生长就停止。空间限制法可分为若干组：（1）气相中的液滴，如喷雾合成和喷雾热分解；（2）液体中的液滴，如微乳液的胶束合成；（3）基于模板的合成，如聚合物模板作为阳离子交换树脂；（4）自生长终止合成：当有机组成部分或外来离子附着在生长表面并所有全部可用位置时，生长就会停止。9 9、什么是一维纳米结构？其制备技术可以分为几类？什么是一维纳米结构？其制备技术可以分为几类？通常指直径不超过 100nm、具有较大长/径比的纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维、纳米晶须等。
