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1、N A N O,主讲：何川,纳米尺度：纳米尺度是指1100纳米的空间范围，这正是分子尺寸，也是分子相互 作用的空间。,What is nano ?,纳米材料：广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。,纳米：（符号为nm）是长度计量单位，1纳米 = 10-9米。 相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。,高清晰STM下的碳纳米管照片,在纳米尺度上科学家们观察到纳米粒子在化学和物理性质上出现奇异的特性。,How special it is ?,特殊的光学性质,特殊的电学性质,特殊的力学性质,特殊的热学性质,特殊的磁学性
2、质,特殊的化学性质,（1） 特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 在空气中纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用该特性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,熔点K,（2）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。,研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。,纳米Ni的硬度与粒径的关系,碳纳米管有很大的强度和很好的柔性,（3） 特殊的光学性质 当
3、黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。与块体材料相比，由于量子效应引起的能带间隙变宽，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象。,（4） 特殊的磁学性质 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，这时磁化率不再符合居里-外斯定律。纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。,超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减
4、小其尺寸，大约小于 610-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。,Fe纳米微粒矫顽力和粒径关系,Why is it special ?,结构决定性质！性质决定现象！,纳米效应,粒子直径减少到纳米级，表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加，表面活性高而引起粒子性质上的变化。,一、表面效应,粒子半径/nm,球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大。,处于表面的原子数增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合能出现很大的不同：表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与
5、其它原子相结合，具有很大的化学活性。,纳米颗粒比表面积示意图,二、 小尺寸效应当微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致力、光、电、磁、热、声学等特性均会发生变化，这一现象被称为小尺寸效应。,力： 纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。,光： 纳米微粒较大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，因而存在较宽的键振动模分布，使得纳米微粒的频带吸收宽化。,热： 纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子 临
6、近配位不全，活性大以及熔化时所需增加的内能小，使得纳米微粒熔点急剧下降。,三、 量子尺寸效应微粒尺寸降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动(如图)，这种现象称为量子尺寸效应。久保（Kubo）采用一电子模型求得金属纳米晶粒的能级间距为：,式中Ef为费米势能，N为微粒中的原子数。,公式 说明：1.能级的平均间距与组成物体的微粒中自由电子总数成反比。2.宏观物体中原子数N，显然自由电子数也趋于无限多，则能级间距0，电了处于能级连续变化的能带上，表现在吸收光谱上为一连续光谱带；3.而纳米晶粒所含原子数N较少，自由电子数也较少，致使有一确定值，电子处于分
7、离的能级上，其吸收光谱是具有分立结构的线状光谱。纳米材料中处于分立能级中的电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性。,四 、宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。,宏观量子效应： 为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应。,隧道效应： 基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这势垒。,经典力学：,不可穿透的势垒,隧道效应,量子力学：,一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。,Why more ?,断键理论: 块体材料的性能完全不同于孤立原子是由于其内部原子间的相互作用；但是纳米材料既具有内部原子间的相互作用，又拥有大量的低配位表面原子，低配位原子的键变短变强，认为纳米结构的尺寸效应与原子配位数不完美有关。原子配位数不完美引起原子剩余的键自发收缩，键能变强，从而在纳米结构表面、界面区域内出现局域应变和能量高密度化，这将导致表面的电子、质量和能量出现局域化和高密度化，这种变化将作为微扰项贡献固体的哈密尔顿量、原子结合能、电子亲和能等物理量，从而决定纳米材料各种新颖的性能。,
