(完整版)2-1納米材料及基本性質(zhì)課件

1、 納 米 材 料本節(jié)要討論的問(wèn)題1 納米材料的定義及分類(lèi)2 納米結(jié)構(gòu)及分類(lèi)3 納米材料的基本單元納米材料的基本特性 小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、 表面效應(yīng)、宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)/home.php?mod=space&uid=39356&do=blog&id=485963 微納米藝術(shù)之微納米地圖（配圖.科普） 納米科技是高度交叉的綜合性學(xué)科，包括物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)和電子學(xué)。它不僅包含以觀(guān)測(cè)、分析和研究為主線(xiàn)的基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)還有以納米工程與加工為主線(xiàn)的技術(shù)科學(xué)，所以納米科學(xué)與技術(shù)也是一個(gè)融科學(xué)前沿和高技術(shù)于一體的完整體系。納米科技主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米

2、電子學(xué)、納米加工學(xué)和納米力學(xué)。C納米管和C60球 納米材料發(fā)展的三個(gè)階段 第一階段（1990年以前） 主要是在實(shí)驗(yàn)室探索制備納米顆粒粉體、塊體、薄膜新方法，研究表征手段，探索納米材料的特殊性能。 研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類(lèi)納米材料稱(chēng)納米晶或納米相材料。 第二階段（1994年前） 人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。 第三階段（從1994年到現(xiàn)在） 納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注 （通向納米器件研究）。 第四階段（未來(lái)） 納米器件與納米計(jì)算機(jī)等裝置的研究，納米工業(yè)革命 . 。內(nèi)容

3、提要納米材料及其分類(lèi)納米結(jié)構(gòu)單元納米材料的基本特性納米微粒的物理性質(zhì)納米材料的制備方法物理學(xué)家理查德.費(fèi)曼Richard Feynman 1959年在底部還有很大空間There is Plenty of Room at the Bottom. 一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品 Eric DrexlerOne time student of Feynman1986 book“Engines of Creation”什么是納米材料？納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(jí)(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子與宏觀(guān)體系之間的納米粒子所組成的材料。納米材料的特點(diǎn)：1 原子疇（晶?；蛳啵┏?/p>

4、寸小于100nm；2 很大比例的原子處于晶界環(huán)境；3 各疇之間存在相互作用。納米材料：把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在 100nm以下尺寸的材料稱(chēng)為納米材料。 納米材料的分類(lèi)按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為:1 零維：在空間三維尺度上均在納米尺度，如納米尺度顆粒，原子團(tuán)簇；2 一維：在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲，納米棒，納米管等；3 二維：在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜，多層膜，超晶格等。由于其組成單元的尺度小，界面占用相當(dāng)大的成分。因此，納米材料出現(xiàn)了許多不同于通常的大塊宏觀(guān)材料的特殊性質(zhì)。納米結(jié)構(gòu)單元 構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜以及納米結(jié)構(gòu)的基本單元有下述幾種： 1 團(tuán)簇(cl

5、uster) 原子團(tuán)簇是一類(lèi)新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，是在20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)的，原子團(tuán)簇是指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于 1nm），如Fen，CunSm，CnHm和碳簇（C60, C70和富勒烯等）等。 絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但已知有線(xiàn)狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等軌道狀層狀基本納米結(jié)構(gòu)單元Cu分形狀多孔狀A(yù)u-足球狀基本納米結(jié)構(gòu)單元洋蔥狀基本納米結(jié)構(gòu)單元原子團(tuán)簇的特性極大的比表面積使它具有異常高的化學(xué)活性和催化活性、光的量子尺寸效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)、電導(dǎo)的幾何尺寸效應(yīng)、C60摻雜或摻包原子的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性、碳管和碳蔥的導(dǎo)電性等。原子團(tuán)簇不同于有特定大小和形狀的分子、分子

6、間以弱的結(jié)合力結(jié)合的松散分子團(tuán)簇和周期性很強(qiáng)的晶體。原子團(tuán)簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體，除惰性氣體外，它們都是以化學(xué)鍵緊密結(jié)合的聚集體。C60及其他富勒烯C60的發(fā)現(xiàn)1985年美國(guó)Smalley教授和英國(guó)kroto等在Rice大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，采用激光轟擊石墨靶，并用苯來(lái)收集碳團(tuán)簇，用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)高豐度的C60。C60由32個(gè)面構(gòu)成，其中20個(gè)六邊形，12個(gè)五邊形，C60 的直徑為0.7nm。 構(gòu)成碳團(tuán)簇的原子數(shù)為20、24、28、32、36、50、60和70具有高的穩(wěn)定性，其中又以C60最穩(wěn)。 2 納米微粒納米微粒一般在 1100nm之間，有人稱(chēng)它為超微粒子（ultra-f

7、ine particle）。日本名古屋大學(xué)上田良二給納米微粒下了一個(gè)定義：用電子顯微鏡（TEM）能看到的微粒稱(chēng)為納米微粒。 Co納米粒子彩色透鏡標(biāo)稱(chēng)粒徑60nm二氧化硅粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的電鏡照片 3 納米管 早在 1970年法國(guó)奧林大學(xué)（University of Orleans）Endo首次用氣相生長(zhǎng)技術(shù)制成了直徑為7nm的碳纖維，遺憾的是，他沒(méi)有對(duì)這些碳纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致地評(píng)估和表征。 1991年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組提交一篇理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成碳納米管。 同年1月,日本NEC公司飯島(Ijima)等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)

8、家們極大關(guān)注。 SerendipitySerendipity這個(gè)詞的中文含義很難表達(dá)。它來(lái)自英國(guó)作家H. Walpole的小說(shuō)“The Three Princes of Serendip”（Serendip三王子的故事），原來(lái)指碰巧發(fā)現(xiàn)珍寶的運(yùn)氣。其一般含義是，發(fā)現(xiàn)并非有意尋求的好東西之能力。視不同場(chǎng)合，這個(gè)詞也許可以譯作“歪打正著”、“偶然發(fā)現(xiàn)”、“意外發(fā)現(xiàn)”、“捕捉意外良機(jī)的本領(lǐng)”，等等?？茖W(xué)史上的許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)似乎純屬意外，都是科學(xué)家憑借這種特殊能力而妙手偶得的。法國(guó)大科學(xué)家巴斯德說(shuō)，“機(jī)遇垂青有準(zhǔn)備的頭腦”。只有那些善于觀(guān)察和思考、孜孜不倦尋求真理的人才會(huì)牢牢抓住有所發(fā)現(xiàn)，有所創(chuàng)造。 青

9、霉素的發(fā)現(xiàn)便是這樣一例。1945年，在哈佛大學(xué)的畢業(yè)典禮上，剛剛獲得哈佛名譽(yù)講師稱(chēng)號(hào)的英國(guó)細(xì)菌學(xué)家、青霉素的發(fā)現(xiàn)者亞歷山大.弗萊明爵士向兩萬(wàn)五千名畢業(yè)生發(fā)表演講。他說(shuō)，1928年的那一天，“我并沒(méi)有打算讓產(chǎn)黃青霉孢子掉在我的培養(yǎng)基上，但是我一看見(jiàn)培養(yǎng)基上出現(xiàn)的變化，就絲毫不懷疑，非同尋常的事就要發(fā)生了。那塊霉菌也可能掉在其他培養(yǎng)基盤(pán)子上,那么就不會(huì)有明顯的變化，從而引起特別的直接關(guān)注”。他對(duì)哈佛學(xué)子諄諄囑咐說(shuō)，“千萬(wàn)、千萬(wàn)不要忽視非同尋常的現(xiàn)象或事件。也許它只是一樁虛假警報(bào)，一無(wú)用處。但是，從另一方面說(shuō)，它也可能是命運(yùn)向你提供的導(dǎo)致重大進(jìn)展的線(xiàn)索”。他還說(shuō)，“頭腦的準(zhǔn)備不足，就看不見(jiàn)伸向您的機(jī)

10、會(huì)之手”。單單靠好奇心還產(chǎn)生不了新知識(shí)，單單靠運(yùn)氣也產(chǎn)生不了新知識(shí)。重大新知識(shí)的發(fā)現(xiàn)取決于一絲不茍的工作和有準(zhǔn)備的頭腦之想象。 1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注 Nature (1991)碳納米管 多壁碳納米管是由多個(gè)碳原子六方點(diǎn)陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，管間距為0.34nm左右（相當(dāng)于石墨的0002面間距），其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度為幾至幾十微米。 碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。 具有極好的可彎折性可扭曲性 碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊

11、氏模量估計(jì)可高達(dá)5 TPa(太帕)，這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來(lái)的 “超級(jí)纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。 4 納米棒、納米線(xiàn) 一般將縱橫比（長(zhǎng)度與直徑的比率）小于20的稱(chēng)為納米棒，縱橫比大于20的稱(chēng)作納米絲。至今，關(guān)于納米棒與納米絲之間并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 此外，半導(dǎo)體和金屬納米線(xiàn)通常稱(chēng)為量子線(xiàn)金納米棒CdS納米棒銀納米線(xiàn)納米帶寬度和厚度都是納米尺度，但寬比厚要超過(guò)10倍的材料。納米帶5 納米薄膜石墨烯是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造一種新的體系，包括一維、二維、三維體系。這些物質(zhì)

12、單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體組裝系構(gòu)筑過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力是靠外因還是內(nèi)因，分為：人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系和納米結(jié)構(gòu)自組裝體系。6 納米結(jié)構(gòu)：人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系所謂人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，按人類(lèi)的意志，利用物理和化學(xué)的方法人為地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維、三維的納米結(jié)構(gòu)體系，包括納米有序陣列體系和介孔復(fù)合體系等。這里人的設(shè)計(jì)和參與制造起到?jīng)Q定性的作用，就好像人們用自己制造的部件裝配成非生命的實(shí)體（例如，機(jī)器、飛機(jī)、汽車(chē)、人造衛(wèi)星等）一樣，人們同樣可以形成具有各種對(duì)稱(chēng)性的和周期性的固體，人們也可以利用物理和化學(xué)的辦法生長(zhǎng)各種各樣的

13、超晶格和量子線(xiàn)。 不同納米材料自組裝成納米結(jié)構(gòu) “反蛋白石結(jié)構(gòu)”光子晶體用DNA將很多超小結(jié)構(gòu)拼湊起來(lái)的搭積木納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系是指通過(guò)弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，如氫鍵、范德瓦爾斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。自組織過(guò)程的關(guān)鍵不是大量原子、離子、分子之間弱作用力的簡(jiǎn)單疊加，而是一種整體的，復(fù)雜的協(xié)同作用。 自組裝的具有納米孔洞的分子MOFs是在上世紀(jì)90年代初由Yaghi發(fā)明的，它就像一個(gè)連接桿形成的支架，具有的納米級(jí)孔隙大小適合用來(lái)捕獲CO2。 手性的 Scanning-tunneling microscope

14、(STM) image of C60(carbon) guest molecules (purple), partially populating coexisting regions of the chicken-wire (left)（六角形網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)） and flower (right) （花樣結(jié)構(gòu)）polymorphs of self-assembled trimesic acid (TMA，均苯三酸). The inset models show the position of the fullerenes (purple) within the TMA meshes (brown)

15、.Towards designing the form and function of 2D molecular systems, 14May2009, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1200904.1614 1 由于它具有納米微粒的特性，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等特點(diǎn)，又存在有納米結(jié)構(gòu)組合引起的新的效應(yīng)，如量子耦合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)等。2 這種納米結(jié)構(gòu)體系很容易通過(guò)外場(chǎng)（電、磁、光）實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的控制，使納米超微型器件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將人們對(duì)納米材料出現(xiàn)的基本物理效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不斷影響深入。量子尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)庫(kù)侖堵塞和宏觀(guān)

16、量子隧道效應(yīng)介電限域效應(yīng) 納米微粒的基本特性量子尺寸效應(yīng)量子化：量子力學(xué)中，某一物理量的變化不是連續(xù)的，稱(chēng)為量子化。1 原子分立能級(jí)如：各種元素都具有自己特定的光譜線(xiàn)，如氫原子和鈉原子分立的光譜線(xiàn)。2 固體的能級(jí)當(dāng)大量原子構(gòu)成固體時(shí)，其結(jié)果是不連續(xù)的孤立能級(jí)分裂成一系列的子能級(jí)，這些子能級(jí)離得如此之近，以致形成能帶。（金屬）由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此形成連續(xù)的能帶。從能帶理論出發(fā)成功的解釋了大塊金屬，半導(dǎo)體，絕緣體之間的聯(lián)系和區(qū)別。能帶結(jié)構(gòu)示意圖Metal Semiconductor InsulatorEgEg5eV導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶3 超微顆粒的能級(jí) 對(duì)于介于原子、分子與大塊固體

17、之間的超微顆粒而言，大塊材料中的連續(xù)的能帶分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的距離隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)(LUMO)，能隙變寬現(xiàn)象，稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。能隙展寬的原因：?jiǎn)蝹€(gè)原子具有離散的能級(jí)，由數(shù)個(gè)原子構(gòu)成半導(dǎo)體團(tuán)簇的能級(jí)也是離散的，類(lèi)似于分子的能級(jí)性質(zhì)。隨著團(tuán)簇內(nèi)原子數(shù)的增加，成鍵軌道（HOMO）和反鍵軌道（LUMO）能級(jí)不斷增多，表現(xiàn)為HOMO和LUMO帶的不斷展寬，從而導(dǎo)致如圖所示的HOMO和LUMO帶間隔的不斷縮小，即禁帶寬度的減小。L

18、UMOHOMO當(dāng)原子數(shù)增加到非常多時(shí)，離散的能級(jí)變成實(shí)際上連續(xù)的能帶，稱(chēng)為宏觀(guān)的塊體材料，此時(shí)兩能帶間的距離即塊體材料的禁帶寬度。量子點(diǎn)(quantumdots，QDs)是由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí),是在納米尺度上的原子和分子的集合體。量子點(diǎn)一般為球形或類(lèi)球形，是由半導(dǎo)體材料(通常由II BB或IIIBVB元素組成)制成的、穩(wěn)定直徑在220 nm的納米粒子。量子點(diǎn)既可由一種半導(dǎo)體材料組成， 如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、InP、InAs等。作為一種新穎的半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的納米性質(zhì). 4.6greenyelloworangere

19、d粒徑為2.3/3.8/4.0/4.6 nm的CdSe量子點(diǎn)的吸收光譜和發(fā)射光譜，可以看出隨著量子點(diǎn)的粒徑變大，其吸收和發(fā)射峰都發(fā)生紅移（即向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)），相對(duì)應(yīng)的禁帶寬度變窄。EFhEg (eV)=1240 /(nm)，即分別為2.45/2.27/2.14/2.05 eV.Different samples of CdSe nanocrystals in toluene solution可以進(jìn)行全波段發(fā)光。顏色由禁帶寬度決定。一、定義當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)(物質(zhì)波的波長(zhǎng))、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度（能夠發(fā)生干涉的最大光程差 ）或與磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被

20、破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常的現(xiàn)象小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)物理學(xué)中，物質(zhì)波（即德布羅意波）系指所有物質(zhì)的波（見(jiàn)波粒二象性）。 物質(zhì)波的波長(zhǎng)和動(dòng)量成反比；頻率和總能成正比關(guān)系。理論上，不只亞原子粒子有波的性質(zhì)。例如：投球手以40 m/s投出一個(gè)質(zhì)量為0.15 kg的棒球。這個(gè)球的波長(zhǎng)為=h/m 這比光子的直徑1015米更小，直趨普朗克長(zhǎng)度1035。因此，現(xiàn)時(shí)的技術(shù)是無(wú)法觀(guān)察出其波動(dòng)性質(zhì)的。二、納米相材料在電子輸運(yùn)過(guò)程中的小尺寸效應(yīng)：納米相材料存在大量的晶界，使得電子散射非常強(qiáng)。主要表現(xiàn)在：1 晶界原子排列越混亂，晶界厚度越大，對(duì)電子散

21、射能力就越強(qiáng)。2 界面（高能壘）導(dǎo)致納米相材料的電阻升高。表面效應(yīng) 表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。邊長(zhǎng)立方體數(shù)每面面積總表面積1 cm10-5 cm (100 nm)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm2610

22、5cm26106cm26107cm2當(dāng)顆粒細(xì)化時(shí)，粒子逐漸減小時(shí)，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。如：把邊長(zhǎng)為1cm的立方體逐漸分割更小的立方體，總表面積將明顯增加。1. 比表面積的增加 隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，總表面積急劇變大所致。例如，粒徑為10 nm時(shí)，比表面積為90 m2/g，粒徑為 5 nm時(shí)，比表面積為180 m2/g，粒徑下降到2 nm時(shí)，比表面積猛增到450 m2/g。這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)表面能迅速增加。2. 表面原子數(shù)及表面能的增加 由于粒子尺寸減小時(shí)，表面積增大，使處于表面的原子數(shù)也急劇增加對(duì)于密堆積的納米微

23、粒，殼層的原子數(shù)可以表示為：n 為殼層數(shù)。第一層：1+12=13第二層：13+42=55第三層：55+92=147由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合,而表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。例如金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒，無(wú)機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。dGs=dAs粉塵爆炸，指粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到熱源（明火或溫度），火焰瞬間傳播于整個(gè)混合粉塵空間，化學(xué)反應(yīng)速度極快，同時(shí)釋放大量的熱，形成很高的溫度和很大的壓力，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功以及光和熱的輻射，具有很強(qiáng)的破壞力。粉塵爆炸多在伴有鋁粉、鋅粉、鋁材加工研磨

24、粉、各種塑料粉末、有機(jī)合成藥品的中間體、小麥粉、糖、木屑、染料、膠木灰、奶粉、茶葉粉末、煙草粉末、煤塵、植物纖維塵等產(chǎn)生的生產(chǎn)加工場(chǎng)所。根據(jù)科學(xué)試驗(yàn)測(cè)定，粉塵爆炸的條件有三：一是燒料，干燥的微細(xì)粉塵、浮游粉塵的濃度每立方米達(dá)到煤粉30-40克、鋁粉40克、鐵粉100克、木粉12.6-25克、小麥粉9.7克；二是氧氣，空氣中的氧氣含量達(dá)到21%；三是熱能，40毫焦?fàn)柕幕鹪础？扇挤蹓m有煤粉塵、玉米粉塵、土豆粉塵、鋁粉塵、鋅粉塵、鎂粉塵、硫磺粉塵等。在日常生活中，一場(chǎng)雷暴、甚至工人身上的皮帶，以及化纖類(lèi)的工作服摩擦產(chǎn)生的靜電，都有可能變成足以引起粉塵爆炸的熱能源。 3、表面效應(yīng)及其結(jié)果納米粒子的表面

25、原子所處的位場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，如存在許多懸空鍵，配位嚴(yán)重不足，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定，所以具有很高的化學(xué)活性。應(yīng)用：研制高效催化劑。Cu, Pd/Al2O3利用其極大的比表面積做氣體吸附劑及儲(chǔ)氫材料。 利用其極高的表面能，制備低熔點(diǎn)材料。（金屬納米粒子易自燃，需鈍化處理）。 庫(kù)倫堵塞 這就是是20世紀(jì)80年代介觀(guān)領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一。 當(dāng)體系的尺度進(jìn)入納米級(jí)（一般金屬粒子為幾個(gè)納米）， 體系的電荷是量子化 ，即充電和放電是不 連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需要的能量Ec = e2/2C，e為一個(gè)電子的電荷，C為小體系的電容。體系越小則電容越小，能

26、量Ec越大，這個(gè)能量我們就稱(chēng)之為庫(kù)侖堵塞能。 換句話(huà)說(shuō)，庫(kù)侖堵塞能是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù)侖排斥能。由于庫(kù)侖堵塞效應(yīng)的存在，電流隨電壓的上升不再是直線(xiàn)上升(歐姆定律)，而是在IV曲線(xiàn)上呈現(xiàn)鋸齒形狀的臺(tái)階。(見(jiàn)下圖)這導(dǎo)致對(duì)一個(gè)小體系的充放電過(guò)程，電子不能集體運(yùn)輸，而是一個(gè)一個(gè)的單電子傳輸。介電限域效應(yīng)介電限域是納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由于界面引起的體系介電增強(qiáng)的現(xiàn)象，主要來(lái)源于微粒表面和內(nèi)部局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)的折射率對(duì)比微粒的折射率相差很大時(shí)，就產(chǎn)生了折射率邊界，這就導(dǎo)致微粒表面和內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)強(qiáng)明顯增加，這種局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)稱(chēng)為介電限域。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡族金屬氧化物和半導(dǎo)體微粒都可能

27、產(chǎn)生介電限域效應(yīng)，納米顆粒的介電限域?qū)馕?、光化學(xué)、光學(xué)非線(xiàn)性等都會(huì)有重要的影響。*n(TiO2)= 2.52（銳鈦礦）；2.7（金紅石）n(空氣)=1; n(H2O)=1.33 特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑。這是因?yàn)榻饘俪㈩w粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)

28、在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10 nm量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C ，當(dāng)顆粒尺寸減小到10 nm尺寸時(shí)，則降低27 ，2 nm尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327 左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670 ，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100 。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)。 特殊的磁學(xué)性質(zhì)小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80 A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到 20 nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 6 nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，

29、可制作高貯存密度的磁記錄磁粉，應(yīng)用于磁帶、磁卡以及磁性鑰匙等。人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類(lèi)生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。 特殊的力學(xué)性質(zhì)陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明

30、，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。 光催化是納米半導(dǎo)體獨(dú)特性能之一。光催化是指納米材料在光照射下,通過(guò)把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,促進(jìn)有機(jī)物的合成或有機(jī)物降解的過(guò)程。 光催化性能(a) 陽(yáng)極光電流; (b) 陰極光電流圖 1 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的光電流產(chǎn)生示意圖i) TiO2在光的照射下產(chǎn)生光生電子和光生空穴。由于TiO2的禁帶寬度為3.2eV，因此只能吸收小于380nm的紫外光對(duì)其激發(fā)，而這部分光在太陽(yáng)光中只占5%左右。ii）光生電子和光生空穴產(chǎn)生分離并向表面遷移(a)，或者它們?cè)隗w相內(nèi)發(fā)生復(fù)合(b)。光生電子的還原作用和光生空穴的氧化作用直接影響TiO2催化性能的好壞。TiO2的光催化過(guò)程 iii) 光生電子和光生空穴在表面活性位置發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)。TiO2光物理化學(xué)過(guò)程(100)(111)液相法合成的納米Ag 多面體形，主要由(111)包圍液相法合成的納米Ag 三棱柱形和球形面，由(111)、 (110)包圍。三棱柱形和六棱柱形液相法合成的納米Ag Ag/PVA納米電纜Photoinduced Conversi