納米材料基本概念和分類演示文稿

納米材料基本概念和分類演示文稿目前一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點（優(yōu)選）納米材料基本概念和分類目前二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點荷葉自清潔效應(yīng)水滴落在荷葉上，會變成了一個個自由滾動的水珠，而且，水珠在滾動中能帶走和葉表面塵土。荷葉的基本化學成分是葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基（-OH）、（-NH）等極性基團，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬。而荷葉葉面都具有極強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”目前三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點研究表明，包括蜜蜂、海龜?shù)仍趦?nèi)的許多生物體內(nèi)都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。最新的科學研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。當蜜蜂采蜜歸來時，實際上就是把自己原來存儲的圖像和所見到的圖像進行對比，直到兩個圖像達到一致，由此來判斷自己的蜂巢。利用這種納米磁性顆粒進行導航，蜜蜂可以完成數(shù)公里的旅程。目前四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點橫行霸道億萬年前，螃蟹并非如此“橫行”。因其第一對觸角里有幾顆磁性納米微粒，螃蟹便擁有了用于定向的幾只小“指南針”。靠這種高精度的“指南針”，螃蟹的祖先堂堂正正地前進后退，行定自如。后來，由于地球的磁場發(fā)生多次劇烈倒轉(zhuǎn)，螃蟹觸角里的那幾顆珍貴的納米小磁粒發(fā)生錯亂，失去了正確指示方向的功能。于是，暈暈乎乎的螃蟹便開始橫行，從此落得個蠻橫的名聲。目前五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點飛檐走壁的壁虎

壁虎可以在任何墻面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術(shù)。壁虎腳上覆蓋著十分纖細的茸毛，可以使壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)百萬個的附著點，從而支撐其體重。這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠穿過天花板。目前六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點蝴蝶翅膀上的斑斕色彩

蝴蝶因為其翅膀上變化多端、絢爛美好的花紋而使人著迷。這也讓生物學家們感到疑惑：蝴蝶令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，又有什么不同意義呢？最近，荷蘭格羅寧根大學的希拉爾多博士發(fā)現(xiàn)了解決這個問題的通道。在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后，希拉爾多博士揭示了這個秘密：翅膀上的納米結(jié)構(gòu)正是蝴蝶的“色彩工廠”。

他的研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質(zhì)，它們就像圣誕樹上小小的彩燈，在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。蝴蝶翅膀上的顏色其實是一個身份標志。不同顏色的翅膀，讓形色萬千的蝴蝶能在很遠的地方就識別出同伴，甚至辨別出對方是雄是雌。

目前七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點

通過電子顯微鏡的觀察，希拉爾多博士發(fā)現(xiàn)粉蝶翅膀的結(jié)構(gòu)非常奇特；盡管不同種類的蝴蝶，鱗片的結(jié)構(gòu)不同，但彼此之間還是有共同特征。一般來說，蝴蝶翅膀由兩層僅有3至4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，每個鱗片的構(gòu)造也很復雜。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體，也就是納米結(jié)構(gòu)。通過這種結(jié)構(gòu)，蝴蝶翅膀能捕捉光線，僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。目前八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米器件“自上而下”是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化；“自下而上”是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意志進行設(shè)計和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。目前，在納米化工廠、生物傳感器、生物分子計算機、納米分子馬達等方面，都做了重要的嘗試。目前九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料定義按國際制（SI）詞冠中納米尺寸概念以及納米度量單位與其它度量單位的關(guān)系如下：1艾米（exametre）＝1000拍米（petametre）1拍米（petametre）＝1000太米（terametre）1太米（terametre）＝1000吉米（gigametre）1吉米（gigametre）＝1000兆米（megametre）1兆米（megametre）＝1000千米（kilometre）1千米（kilometre）＝10百米（hectometre）目前十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料定義1百米（hectometre）＝10十米（decametre）十米（decametre）＝100分米（decimetre）1分米（decimetre）＝10厘米（centimetre）1厘米（centimetre）＝10毫米（miillimetre）1毫米（miillimetre）＝1000微米（micrometre）1微米（micrometre）＝1000納米（nanometre）1納米（nanometre）＝1000皮米（picometre）1皮米（picometre）＝1000飛米（femtometre）1飛米（femtometre）＝1000阿米（attometre）目前十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料定義納米材料，是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度特征的材料，納米尺度一般是指1-100nm。廣義定義：材料的基本單元至少有一維的尺寸在1-100nm范圍內(nèi)。同時具備的兩個基本特征：納米尺度和性能的特異變化。納米材料的定義及發(fā)展目前十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類按材質(zhì)納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復合材料。按形態(tài)納米顆粒材料、納米固體材料（也稱納米塊體材料）、納米膜材料以及納米液體材料。按功能納米生物材料、納米磁性材料、納米藥物材料、納米催化材料、納米智能材料、納米吸波材料、納米熱敏材料以及納米環(huán)保材料等。目前十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類按納米尺度在空間的表達特征零維納米材料，即納米顆粒材料一維納米材料，如納米線、棒、絲、管和纖維等二維納米材料，如納米膜、納米盤和超晶格等三維納米材料，指在三維空間中含有上述納米材料的塊體，如納米陶瓷材料，如介孔材料等。目前十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性當材料的結(jié)構(gòu)進入納米尺度調(diào)制范圍時，會表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等納米效應(yīng)。2.1納米材料的基本效應(yīng)目前十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性當納米粒子的尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理尺寸相當或比它們更小時，會使晶體原有的周期性的邊界條件被破壞，聲、光、電、磁、熱力學特性等均會隨著粒子尺寸的減小發(fā)生顯著的變化。這種因尺寸的減小而導致的變化稱為小尺寸效應(yīng)，也叫體積效應(yīng)。2.1納米材料的基本效應(yīng)－小尺寸效應(yīng)目前十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點(1)特殊的光學性質(zhì)當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，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，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌%，大約幾微米的厚度就能完全消光。目前十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點(2)特殊的熱學性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后，卻發(fā)現(xiàn)其熔點顯著降低，當顆粒小于10nm時變得尤為顯著。如塊狀的金的熔點為1064℃，當顆粒尺寸減到10nm時，則降低為1037℃，降低27℃，2nm時變?yōu)?27℃；目前十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性普通的材料當其處于納米狀態(tài)或具有納米結(jié)構(gòu)時會具有很高的熱容量。納米金屬Cu的比熱容是傳統(tǒng)Cu的2倍。一些納米材料的熱導率很低。SiO2氣凝膠固態(tài)熱導率可比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2-3個數(shù)量級。SiO2氣凝膠在常溫下熱導率僅為0.013W/(m·K)，成為最好的固體絕熱材料。另有一些納米材料其熱交換性能非常好。納米Ag晶體用于稀釋制冷機的熱交換器效率較相應(yīng)的非納米材料高30%。2.2納米材料的特性－熱學特性目前十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點20磁性液體（magneticliquids）是一種液態(tài)的磁性材料。該材料既具有固體的磁性又具有液體的流動性。它是由粒徑為納米尺寸（幾個到幾十個納米）的磁性微粒，依靠表面活性劑的幫助，均勻分散、懸浮在載液（基液加表面活性劑）中，構(gòu)成的一種固液兩相的膠體混合物，這種材料即使在重力、離心力或電磁力作用下也不會發(fā)生固液分離，是一種典型的納米復合材料。

目前二十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性也稱界面效應(yīng)，是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑的減小，納米粒子的表面原子數(shù)、比表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大。表面原子處于裸露狀態(tài)，周圍缺少相鄰原子，有許多剩余鍵力，易與其他原子結(jié)合而穩(wěn)定，具有較高的化學活性。納米材料的很多物性主要由界面決定。2.1納米材料的基本效應(yīng)－表面效應(yīng)目前二十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象，以及半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道，能隙變寬的現(xiàn)象，均稱為量子尺寸效應(yīng)。2.1納米材料的基本效應(yīng)－量子尺寸效應(yīng)目前二十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性能帶理論表明，金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，但只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對于只有有限個導電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的。2.1納米材料的基本效應(yīng)－量子尺寸效應(yīng)目前二十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性對于宏觀物體包含無限個原子，能級間距Eg0；而對納米微粒，所包含原子數(shù)有限，N值很小，這就導致Eg有一定的值，即能級間距發(fā)生分裂。當能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導態(tài)的凝聚能時，必須考慮量子尺寸效應(yīng)，這會導致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著的不同。2.1納米材料的基本效應(yīng)－量子尺寸效應(yīng)目前二十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性例如，納米微粒的比熱、磁化率與所含的電子奇偶性有關(guān)導體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。如，普通銀為良導體，而納米銀在粒徑小于20nm時卻是絕緣體等。2.1納米材料的基本效應(yīng)－量子尺寸效應(yīng)目前二十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點26納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對某種波長的光吸收帶有藍移現(xiàn)象。納米微粒粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對紫外有吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對紫外吸收好的幾種材料有：30-40nm的TiO2納米粒子的樹脂膜；Fe2O3納米微粒的聚固醇樹脂膜。目前二十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。2.1納米材料的基本效應(yīng)－宏觀量子隧道效應(yīng)目前二十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料中的粒子具有穿過勢壘的能力被稱為隧道效應(yīng)。例如磁化強度，具有鐵磁性的磁鐵，其粒子尺寸達到納米級時，即由鐵磁性變?yōu)轫槾判曰蜍洿判?。目前二十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點目前二十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點吸收光譜蘭移的原因：1）量子尺寸效應(yīng)。即顆粒尺寸下降導致能隙變寬，從而導致光吸收帶移向短波方向。Ball等的普適性解釋是：已被電子占據(jù)的分子軌道能級(HOMO)與未被電子占據(jù)的分子軌道能級之間的寬度（能隙）隨顆粒直徑的減小而增大，從而導致蘭移現(xiàn)象。這種解釋對半導體和絕緣體均適用。塊體半導體與半導體納米晶的能帶示意圖2）表面效應(yīng)。納米顆粒的大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。對納米氧化物和氮化物的研究表明，第一近鄰和第二近鄰的距離變短，鍵長的縮短導致納米顆粒的鍵本征振動頻率增大，結(jié)果使紅外吸收帶移向高波數(shù)。目前三十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性3.發(fā)光現(xiàn)象納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料所沒有的新的發(fā)光現(xiàn)象。普通的硅具有良好半導體特性，但不能發(fā)光。1990年，日本佳能公司首次在6nm大小的硅顆粒試樣中在室溫下觀察到波長為800nm附近有強的發(fā)光帶，隨著尺寸進一步減小到4nm，發(fā)光帶的短波邊緣可延伸到可見光范圍。2.2納米材料的特性目前三十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性納米微粒電性能的一個最大特點是與顆粒尺寸有很強的依賴關(guān)系。對同一種納米材料，當顆粒達到納米級，電阻、電阻溫度系數(shù)都會發(fā)生變化。銀是優(yōu)異的良導體，但10-15nm的銀微粒電阻會突然升高，失去金屬良導體的特征，變成了非導體。2.2納米材料的特性－電阻和電磁特性目前三十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性奇異的磁特性主要表現(xiàn)在它具有超順磁性或高的矯頑力上。尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)，例如α-Fe、Fe3O4和α-Fe2O3分別為5nm、16nm和20nm時變成超順磁體；粒徑為85nm的納米鎳微粒，矯頑力很高，表明處于單疇狀態(tài)；而粒徑小于15nm的鎳微粒，矯頑力Hc→0，這說明它們進入了超順磁狀態(tài)。2.2納米材料的特性－電阻和電磁特性目前三十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性超順磁狀態(tài)的起源可歸為以下原因：由于在小尺寸下，當各向異性能減小到與熱運動能可相比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，磁化方向?qū)⒊尸F(xiàn)劇烈起伏，結(jié)果導致超順磁性的出現(xiàn)。不同種類的納米磁性微粒所呈現(xiàn)的超順磁性的臨界尺寸是有所不同。2.2納米材料的特性－電阻和電磁特性目前三十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性1、量子光電特性當半導體粒子尺寸與其激子波爾半徑相近時，隨著粒子尺寸的減小，半導體粒子的有效帶隙增加，相應(yīng)的吸收光譜和熒光光譜發(fā)生藍移，在能帶中形成一系列分立的能級。可以推算吸收光譜發(fā)生藍移的量子尺寸效應(yīng)。2.2納米材料的特性－量子光電和介電特性目前三十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性2、光電轉(zhuǎn)換特性一些半導體材料具有光電轉(zhuǎn)換功能。一種納米TiO2光電轉(zhuǎn)換電池在模擬太陽光源照射下，其光電轉(zhuǎn)換效率可達12％。光電流密度大于12mA/cm2。這是由于納米TiO2組成的多孔電極表面能夠吸附的染料分子數(shù)比普通電極表面所能吸附的染料分子數(shù)多了50倍以上，而且?guī)缀趺總€染料分子都與TiO2直接接觸，光生載流子的界面電子轉(zhuǎn)移很快，形成了具有優(yōu)異的光吸收及光電轉(zhuǎn)換特性。2.2納米材料的特性－量子光電和介電特性目前三十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性3、介電和壓電特性納米半導體材料的介電常數(shù)隨工作頻率的減小，表現(xiàn)出明顯上升的趨勢，而相應(yīng)的非納米材料的介電常數(shù)較低，在低頻范圍內(nèi)上升趨勢遠遠低于納米材料。在低頻范圍，納米材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)出尺寸效應(yīng)，即粒徑很小時，其介電常數(shù)較低，隨粒徑增大，介電常數(shù)明顯增加，在某一臨界尺寸呈極大值。相應(yīng)的介電常數(shù)損耗也呈現(xiàn)一損耗峰。一般認為這是由于納米粒子中的離子轉(zhuǎn)向極化和離子弛豫極化造成的。2.2納米材料的特性－量子光電和介電特性目前三十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點第二章納米材料的特性3、介電和壓電特性對一些納米材料來說，由于其界面存在大量的懸掛鍵，導致界面電荷分布發(fā)生變化，形成局域電偶極矩。在受外加壓力的作用下能使偶極矩的取向分布等狀況發(fā)生變化，在宏觀上產(chǎn)生電荷積累，產(chǎn)生強烈的壓電效應(yīng)。而同樣材料若是粗大的顆粒則由于材料粒徑超出了納米數(shù)量級，因此其界面急劇減小，從而導致壓電效應(yīng)消失。2.2納米材料的特性－量子光電和介電特性目前三十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點機械粉碎法制備的納米微粒形成機理:

固體物料的粉碎過程，實際上就是在粉碎力的作用下，使較大的固體料塊或顆粒發(fā)生變形進而破裂的過程。第三章納米材料形成的基本原理圖3-1目前三十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點蒸發(fā)過程中納米微粒的形成機理氣體蒸發(fā)中的納米微粒生成過程可分為三個階段（1）原料物質(zhì)熔融、蒸發(fā)；（2）被蒸發(fā)物質(zhì)在低分壓或保護氣體中的擴散；（3）蒸氣分子的凝結(jié)。第三章納米材料形成的基本原理圖3-2目前四十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點蒸發(fā)過程中納米微粒的形成機理蒸氣中晶核的生長是一個復雜的瞬變現(xiàn)象。晶核生長過程與最終形成顆粒的大小取決于蒸氣的濃度和凝聚核的密度。凝聚是在高蒸氣濃度下發(fā)生的，如果凝聚結(jié)核的溫度相同，大顆粒的產(chǎn)生符合一般的實驗結(jié)果。凝聚發(fā)生很劇烈，情況也可能相反。這時更有可能由于密度足夠高，能夠超額補償高的蒸氣壓，就有可能形成大量的小尺寸顆粒。第三章納米材料形成的基本原理目前四十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點蒸發(fā)過程中納米微粒的形成機理粒子首先通過蒸氣生長為小粒子，當小粒子密度高時，就有可能發(fā)生多次凝聚生長過程，形成大顆粒。小粒子可以通過布朗運動相碰撞，凝并為大顆粒，這種晶核生長機制稱為凝聚生長。凝聚概率與顆粒在凝聚區(qū)域中停留時間有關(guān)，而凝聚時間又取決于系統(tǒng)的溫度和系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)。第三章納米材料形成的基本原理目前四十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點氣相化學反應(yīng)中顆粒的生成及機理化學反應(yīng)首先在原料物質(zhì)之間發(fā)生，形成產(chǎn)物的前驅(qū)體，并使之達到稍后過程所需要的飽和度。形成顆粒核或反應(yīng)產(chǎn)物間發(fā)生縮聚反應(yīng)生成晶核。晶核通過對反應(yīng)生成的前驅(qū)體單體的吸附或重構(gòu)，或是通過對反應(yīng)器中原料及反應(yīng)中間體吸附反應(yīng)而使原有的晶核得到生長，這就是顆粒生長的過程。氣相中形成的單體、分子團簇和初級粒子在布朗運動作用下會發(fā)生碰撞，凝并成顆粒。第三章納米材料形成的基本原理目前四十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點氣相化學反應(yīng)中顆粒的生成及機理一個關(guān)鍵的因素是氣相中粒子的生成。為了得到納米微粒，首先需要在均勻單一的氣相中產(chǎn)生大量的氣態(tài)核粒子。為了在氣相反應(yīng)中生成大量的氣態(tài)核，首先必須選擇平衡常數(shù)大的反應(yīng)體系，這是氣態(tài)核生成的必要條件；其次，在反應(yīng)容器不變的情況下，要確實保證具有較高的反應(yīng)物濃度，以形成較大的反應(yīng)物分壓，并不斷地將生成物從反應(yīng)區(qū)移去，使生成物分壓降低。第三章納米材料形成的基本原理目前四十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點液相化學合成納米顆粒形成及抗聚集機制沉淀法是在含有可溶鹽或懸浮鹽的水溶液中或非水溶液中發(fā)生反應(yīng)，一旦溶液被產(chǎn)物過飽和，就會由均相成核過程或非均相成核過程發(fā)展形成沉淀。核一旦形成，會通過擴散的形式長大。受擴散控制的核長大過程中，濃度梯度、溫度至關(guān)重要。要想形成分布窄的單分散性顆粒，要求所有核必須同時形成，而且在長大過程不再有成核過程，也沒有顆粒的聚集。第三章納米材料形成的基本原理目前四十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點液相化學合成納米顆粒形成及抗聚集機制納米顆粒的形成機制與納米顆粒穩(wěn)定、抗聚集長大的問題有著密切的關(guān)系。范德華引力的存在或者使體系總表面能趨于減少的因素的存在都會引起微顆粒的聚集。要避免這些顆粒的聚集，關(guān)鍵是需要在顆粒間引入排斥力。表面活性劑能夠形成空間位阻，在合成過程中保證形成分散狀態(tài)穩(wěn)定的納米微粒，也可以將已經(jīng)聚集的微粒均勻分散開來。第三章納米材料形成的基本原理目前四十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子納米復合材料47按化學組分分類目前四十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米晶體是指晶粒為納米尺寸的晶體材料，或具有晶體結(jié)構(gòu)的納米顆粒。一般晶粒尺寸小于100nm的材料才稱為納米晶體。尺寸小于10納米的半導體納米晶體通常被稱為量子點。納米晶體能夠提供單體的晶體結(jié)構(gòu)，通過研究這些單體的晶體結(jié)構(gòu)可以提供信息來解釋相似材料的宏觀樣品的行為，而不用考慮復雜的晶界和其他晶體缺陷。48目前四十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米晶體-增長原理納米晶體能夠或是通過附加上來自溶液中的含有金屬的單體物或是通過與其它納米晶體以隨機結(jié)合的方式進行融合來穩(wěn)定地增長。該后一種過程并沒有在納米增長的經(jīng)典模型中被考慮進去。研究人員提出，納米晶體會根據(jù)它們的大小和依賴于形態(tài)學的內(nèi)部能量而采用不同的增長途徑。49目前四十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級（0.1～100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。隨著粉體的超細化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。具體地說納米粉體材料具有以下的優(yōu)良性能：極小的粒徑、大的比表面積和高的化學性能，可以顯著降低材料的燒結(jié)溫度、節(jié)能能源；使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次（l～100nm）上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。另外，由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強度就相應(yīng)越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。50目前五十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米玻璃納米玻璃，是利用納米技術(shù)，用特殊的裝置，對玻璃進行原子、分子級的操作，改變其特性，使之具有全新的性能。玻璃的概念一種熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。玻璃最初由火山噴出的酸性巖凝固而得。約公元前3700年前，古埃及人已制出玻璃裝飾品和簡單玻璃器皿，當時只有有色玻璃，約公元前1000年前，中國制造出無色玻璃。公元12世紀，出現(xiàn)了商品玻璃，并開始成為工業(yè)材料。18世紀，為適應(yīng)研制望遠鏡的需要，制出光學玻璃。1873年，比利時首先制出平板玻璃。1906年，美國制出平板玻璃引上機。此后，隨著玻璃生產(chǎn)的工業(yè)化和規(guī)?；?，各種用途和各種性能的玻璃相繼問世?，F(xiàn)代，玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學技術(shù)領(lǐng)域的重要材料。51目前五十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類納米半導體納米磁性材料納米非線性光學材料納米鐵電體納米超導材料納米熱電材料52按材料物性分類目前五十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)用材料納米敏感材料納米儲能材料53按應(yīng)用分類目前五十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米敏感材料所謂敏感材料，是指能將各種物理的或化學的非電參量轉(zhuǎn)換成電參量的功能材料。這類材料的共同特點是電阻率隨溫度、電壓、濕度以及周圍氣體環(huán)境等的變化而變化。用敏感材料制成的傳感器具有信息感受、交換和傳遞的功能，可分別用于熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、聲敏以及色敏等不同領(lǐng)域。

敏感材料是當前最活躍的無機功能材料，各種傳感器的開發(fā)應(yīng)用具有重要意義，對遙感技術(shù)、自動控制技術(shù)、化工檢測、防爆、防火、防毒、防止缺氧以及家庭生活現(xiàn)代化等都有直接的關(guān)系。

54目前五十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點納米材料的分類零維納米材料一維納米材料二維納米材料三維納米材料55按結(jié)構(gòu)分類目前五十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點零維納米材料定義：指空間三維尺度均在納米尺度（100nm）以內(nèi)的材料，如納米顆粒（納米粒子）、原子團簇等。56目前五十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點量子點（QuantumDot）量子點是在把導帶電子、價帶空穴及激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結(jié)構(gòu)。電子運動在三維空間都受到了限制，因此有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”，是20世紀90年代提出來的一個新概念。57目前五十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點量子點是由有限數(shù)目的原子組成，三個維度尺寸均在納米數(shù)量級。量子點一般為球形或類球形，是由半導體材料(通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素組成)制成的、穩(wěn)定直徑在2～20nm的納米粒子。量子點是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導體材料組成，如由IIB、VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA、VA族元素(如InP、InAs等)組成，也可以由兩種或兩種以上的半導體材料組成。58目前五十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點一維納米材料定義：指空間二個維度上尺寸為納米尺度（100nm）以內(nèi)的材料，如納米線（納米絲）、納米帶、納米棒、納米管等。59目前五十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點二維納米材料定義：指空間一個維度上尺寸為納米尺度（100nm）以內(nèi)的材料，如超薄膜、多層膜、超晶格等。60目前六十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點目前六十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點粉碎定義：固體物料粒子尺寸由大變小過程的總稱，它包括“破碎”和“粉磨”。前者是由大料塊變成小料塊的過程，后者是由小料塊變成粉體的過程。粉碎作用力的類型如右圖所示幾種?；痉鬯榉绞剑簤核?、剪碎、沖擊粉碎和磨碎。種類：濕法粉碎干法粉碎一般的粉碎作用力都是幾種力的組合，如球磨機和振動磨是磨碎與沖擊粉碎的組合；雷蒙磨是壓碎、剪碎、磨碎的組合；氣流磨是沖擊、磨碎與剪碎的組合，等等。機械粉碎法目前六十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點一種：顆粒之間或顆粒與磨球之間互相摩擦,使得一定粒度范圍內(nèi)的顆粒造成表面粉碎,結(jié)果形成大和小兩種粒度的新顆粒,稱為摩擦粉碎或表面粉碎。另一種：由于球?qū)︻w?；蝾w粒對顆粒的沖擊、碰撞和剪切等作用,從顆粒中近似等體積地分割出兩個小顆粒,稱為沖擊壓縮粉碎或體積粉碎。球磨過程中引起粉末粒度發(fā)生變化的機理有兩種：目前六十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點粉碎過程的另一現(xiàn)象“逆粉碎現(xiàn)象”物料在超細粉碎過程中，隨著粉碎時間的延長，顆粒粒度的減小，比表面積的增加，顆粒的表面能增大，顆粒之間的相互作用增強，團聚現(xiàn)象增加，達到一定時間后，顆粒的粉碎與團聚達到平衡。粉碎團聚是各種粉碎存在最低粒度下限的主要原因；是相似條件下濕法球磨比干法粒度下限低的原因.機械粉碎法目前六十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點例如：A：在干法研磨水泥熟料時加入乙二醇作為助磨劑，產(chǎn)率可提高25～50％；B：在濕法球磨鋯英石時加入0.2％的三乙醇胺，研磨時間減少3/4。打破以上平衡,可采取的一個重要方法就是加入助磨劑：粉碎團聚助磨劑的使用定義：在超細粉碎過程中，能夠顯著提高粉碎效率或降低能耗的化學物質(zhì)稱為助磨劑。機械粉碎法目前六十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點機械粉碎法

在納米粉碎中，隨著粒子粒徑的減小，被粉碎物料的結(jié)晶均勻性增加，粒子強度增大，斷裂能提高，粉碎所需的機械應(yīng)力也大大增加。因而粒度越細，粉碎的難度就越大。粉碎到一定程度后，盡管繼續(xù)施加機械應(yīng)力，粉體物料的粒度不再繼續(xù)減小或減小的速率相當緩慢，這就是物料的粉碎極限。采用機械粉碎法需注意的問題：1）安全性問題

對于易燃、易爆物料，其粉碎生產(chǎn)過程中還會伴隨有燃燒、爆炸的可能性。2）納米機械粉碎極限目前六十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點機械粉碎法

球磨機是目前廣泛采用的納米磨碎設(shè)備。它是利用介質(zhì)和物料之間的相互研磨和沖擊使物料粒子粉碎，經(jīng)幾百小時的球磨，可使小于lμm的粒子達到20％。1．球磨(Milling)1）研磨碗自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的傳動比率任意可調(diào)。2）最終顆粒大小<<1μm。

3）可充入惰性氣體進行機械合金，機械復合，納米材料及復合材料的合成。

4）材質(zhì)可選擇瑪瑙，氮化硅，氧化鋁，氧化鋯，不銹鋼，普通鋼，碳化鎢，包裹塑料的不銹鋼。目前六十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點

高能球磨高能球磨基本原理：將磨球和材料粉末一同放入球磨容器中，利用具有很大動能的磨球相互撞擊，使磨球間的粉末壓延、壓合、破碎、再壓合，形成層狀復合體。這種復合體顆粒再經(jīng)過重復破碎和壓合，如此反復，隨著復合體顆粒的層狀結(jié)構(gòu)不斷細化、纏繞，起始的顆粒層狀特征逐漸消失，最后形成非常均勻的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。目前六十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點

高能球磨機利用介質(zhì)和物料之間長時間反復的相互研磨和沖擊使物料顆粒粉碎到要求或極限尺寸。目前，已經(jīng)發(fā)展了應(yīng)用于不同目的的各種高能球磨方法，包括滾轉(zhuǎn)磨、摩擦磨、行星磨等。目前六十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點優(yōu)點：操作簡單、實驗室規(guī)模的設(shè)備投資少、適用材料范圍廣，而且有可能實現(xiàn)納米材料的大批量生產(chǎn)。缺點：研磨時來自球磨介質(zhì)和氣氛的污染。污染程度取決于球磨機的能量、被磨材料的力學行為，以及被磨材料與球磨介質(zhì)的化學親和力。

高能球磨目前七十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點

利用研磨介質(zhì)可以在一定振幅振動的筒體內(nèi)對物料進行沖擊、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。與球磨機不同，振動磨是通過介質(zhì)與物料一起振動將物料進行粉碎的。按振動方式分類：慣性式和偏旋式；按簡體數(shù)目分類：單筒式和多筒式；按操作方式分類：間歇式和連續(xù)式。選擇適當研磨介質(zhì)，振動磨可用于各種硬度物料的納米粉碎，相應(yīng)產(chǎn)品的平均粒徑可達1μm以下。3.振動磨機械粉碎法目前七十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點振動磨優(yōu)點：在高頻下工作，而高頻振動易使物料生成裂縫，且能在裂縫中產(chǎn)生相當高的應(yīng)力集中，故它能有效地進行超細磨。缺點：此種機械的彈簧易于疲勞而破壞，襯板消耗也較大，所用的振幅較小，給礦不宜過粗，而且要求均勻加入，故通常適用于將1～2mm的物料磨至85～5μm(干磨)或5～0.1μm(濕磨)。

在粗磨礦時，振動磨的優(yōu)點并不很顯著，因而至今在選礦上尚未采用它代替普通球磨，但在化學工業(yè)上得到了發(fā)展。目前七十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點由一個靜止的研磨筒和一個旋轉(zhuǎn)攪拌器構(gòu)成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和研磨方式：間歇式循環(huán)式連續(xù)式在攪拌磨中，一般使用球形研磨介質(zhì)，其平均直徑小于6mm。用于納米粉碎時，一般小于3mm。4．攪拌磨機械粉碎法目前七十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點原理：利用一對固體磨子和高速旋轉(zhuǎn)磨體的相對運動所產(chǎn)生的強大剪切、摩擦、沖擊等作用力來粉碎或分散物料粒子的。被處理的槳料通過兩磨體之間的微小間隙，被有效地粉碎、分散、乳化、微?；Ｔ诙虝r間內(nèi)，經(jīng)處理的產(chǎn)品粒徑可達1μm。5．膠體磨機械粉碎法A為空心轉(zhuǎn)軸，與C盤相連，向一個方向旋轉(zhuǎn)，B盤向另一方向旋轉(zhuǎn)。分散相、分散介質(zhì)和穩(wěn)定劑從空心軸A處加入，從C盤與B盤的狹縫中飛出，用兩盤之間的切應(yīng)力將固體粉碎。目前七十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點原理：利用高速氣流(300-500m/s)或熱蒸氣(300-450℃)的能量使粒子相互產(chǎn)生沖擊、碰撞、摩擦而被較快粉碎。在粉碎室中，粒子之間碰撞頻率遠高于粒子與器壁之間的碰撞。特點：產(chǎn)品的粒徑下限可達到0.1μm以下。除了產(chǎn)品粒度微細以外，氣流粉碎的產(chǎn)品還具有粒度分布窄、粒子表面光滑、形狀規(guī)則、純度高、活性大、分散性好等優(yōu)點。6．納米氣流粉碎氣流磨機械粉碎法目前七十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點物理氣相沉積法(PVD)，是采用一種典型的采用物理方法制備納米粉體的方法。其中沒有化學反應(yīng)產(chǎn)生，其主要過程是固體材料的蒸發(fā)和蒸發(fā)蒸氣的冷凝或沉積。此種制備方法是在低壓的氬氣、氮氣等惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成超微粒（1-1000nm）或納米微粒。加熱的方法有：電阻加熱、等離子體、高頻感應(yīng)、電子束、激光加熱等。還有一種常用的PVD法為濺射法。物理氣相沉積

目前七十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點工藝過程（溶解－蒸發(fā)－收集）：A：一般離子體焰流溫度高達2000K以上，存在著大量的高活性原子、離子。當它們以約100～500m/s的高速到達金屬或化合物原料表面時，可使其熔融并大量迅速地溶解于金屬熔體中，在金屬熔體內(nèi)形成溶解的超飽和區(qū)、過飽和區(qū)和飽和區(qū)。B：原子、離子或分子與金屬熔體對流與擴散使金屬蒸發(fā)。同時，原子或離子又重新結(jié)合成分子從金屬熔體表面溢出。C：蒸發(fā)出的金屬原子經(jīng)急速冷卻后收集，即得到各類物質(zhì)的納米粒子。

1)等離子體加熱法原理：利用等離子體的高溫而實現(xiàn)對原料加熱蒸發(fā)的。蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法目前七十七頁\總數(shù)九十七頁\編于八點等離子體噴射的射流容易將金屬熔融物質(zhì)本身吹飛，這是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)解決的技術(shù)難點。等離子體加熱法制備納米粒子的優(yōu)點:溫度高，等離子炬中心溫度可達10000℃左右；活性高；氣氛純凈、清潔；溫度梯度大，很易獲得高過飽和度，也很易實現(xiàn)快速淬冷。產(chǎn)品收率大，特別適合制備高熔點的各類超微粒子。缺點：目前七十八頁\總數(shù)九十七頁\編于八點2．3．1氣相化學反應(yīng)法ChemicalVaporDeposition原理：利用揮發(fā)性的金屬化合物的蒸氣，通過化學反應(yīng)生成所需要的化合物，在保護氣體環(huán)境下快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米粒子。該方法也叫做化學氣相沉積法優(yōu)點：粒子均勻、純度高、粒度小、分散性好、化學反應(yīng)性與活性高等。適合于制備各類金屬、金屬化合物以及非金屬化合物納米粒子，如各種金屬、氮化物、碳化物、硼化物等。目前七十九頁\總數(shù)九十七頁\編于八點定義：一般的沉淀過程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀劑濃度，使之緩慢地增加，則使溶液中的沉淀處于平衡狀態(tài)．且沉淀能在整個溶液中均勻地出現(xiàn)，這種方法稱為均相沉淀．特點:通過溶液中的化學反應(yīng)使沉淀劑慢慢地生成，從而克服了由外部向溶液中加沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性，結(jié)果沉淀不能在整個溶液中均勻出現(xiàn)的缺點。(2)均相沉淀法目前八十頁\總數(shù)九十七頁\編于八點ATM-應(yīng)用表面結(jié)構(gòu)觀測：原子級空間分辨率，表面物理和化學過程，生物體系。

納米結(jié)構(gòu)加工：操縱原子和分子，制備納米尺度的超微結(jié)構(gòu)和信息存儲。力學性能研究：硬度、彈性、塑性等表面微區(qū)摩擦性質(zhì)研究目前八十一頁\總數(shù)九十七頁\編于八點ATM-作用力相互作用力：對力敏感的探針與樣品之間的相互作用力，非常微弱，約10-810-6N?；⒖硕桑篎=KZ。

F為樣品和針尖之間的作用力，K為微懸臂的力常數(shù)，Z微懸臂的形變。F與樣品之間的作用力與距離直接相關(guān)。目前八十二頁\總數(shù)九十七頁\編于八點ATM-工作原理恒力模式：保持作用力（即微懸臂的形變）不變，記錄針尖上下運動軌跡，即獲得表面形貌。使用最廣泛。恒高模式：保持高度不變，直接測量微懸臂的形變量。限制：對樣品表面要求很高。目前八十三頁\總數(shù)九十七頁\編于八點ATM-操作模式圖解接觸模式：最常規(guī)操作，穩(wěn)定、分辨率高。不適用與生物大分子、低彈性模量物質(zhì)。非接觸模式：靜電力或范德華力（長程作用力），分辨率低，應(yīng)用較少。輕敲模式：微懸臂在共振頻率附近做受迫振動，間斷地敲擊并接觸樣品，對樣品的破壞最小，適用于大分子和生物樣品。目前八十四頁\總數(shù)九十七頁\編于八點掃描隧道和原子力電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡主要用于導體的研究，而原于力電子顯微鏡不僅用于導體的研究，也可用于非導體的研究。在制造原理上，兩者的基礎(chǔ)是相同的。兩者在應(yīng)用上的主要區(qū)別：目前八十五頁\總數(shù)九十七頁\編于八點掃描隧道和原子力電子顯微鏡一般掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)為幾十萬倍．透射電子顯微鏡的放大倍數(shù)可達百萬倍以上掃描隧道電子顯微鏡的放大倍數(shù)通?？蛇_幾千萬倍??用STM測量高定向熱解石墨應(yīng)用舉例目前八十六頁\總數(shù)九十七頁\編于八點87原子團簇原子團簇的獨特性質(zhì)：1）具有碩大的比表面積而呈現(xiàn)出表面或界面效應(yīng)；2）幻數(shù)效應(yīng)；

例如在由純金屬原子組成的多