納米材料與納米團(tuán)簇演示文稿

納米材料與納米團(tuán)簇演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)優(yōu)選納米材料與納米團(tuán)簇當(dāng)前第2頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)Outline（提綱）納米材料的研究背景和意義(whyandhow？)納米團(tuán)簇的研究背景和意義(whyandhow？)

我的一些工作(howandwhat？)當(dāng)前第3頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)納米材料的研究背景和意義當(dāng)前第4頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)前言

1984年，德國(guó)格萊特把6納米的金屬粉末壓制成納米塊，制出了世界上第一塊納米材料——開納米材料學(xué)之先河。

1990年7月，在美國(guó)召開了第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。當(dāng)前第5頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)

納米材料科學(xué)是當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)的前沿和研究熱點(diǎn)。世界各國(guó)的高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中均將納米材料及其技術(shù)列入重要研究領(lǐng)域：

如美國(guó)的“高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃” 日本的“高技術(shù)探索計(jì)劃” 歐洲的“尤里卡計(jì)劃” 我國(guó)的“863計(jì)劃”、“973計(jì)劃”等當(dāng)前第6頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)二.納米科技重大事件：1959年，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（RichardPhillipsFeynman）設(shè)想：有一天如果能按自己的愿望任意擺布原子的排列，人類就將成為真正意義上的“造物主”。這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。當(dāng)前第7頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM)蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（GerdBinnig）博士和?！ち_雷爾（HeinrichRohrer）博士共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanningtunnelingmicroscope，簡(jiǎn)稱STM）。當(dāng)前第8頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)1990年美國(guó)國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）的艾格勒在鎳金屬（110）表面用35個(gè)氙原子排出“IBM”字樣。1993年中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室操縱原子寫出“中國(guó)”二字。當(dāng)前第9頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管，它的質(zhì)量只有同體積鋼的1／6，強(qiáng)度卻是鋼的100倍。用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。當(dāng)前第10頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)三.神奇的納米世界

單根碳納米彈簧

靚麗的納米世界當(dāng)前第11頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)

酷似大力神杯的硅納米結(jié)構(gòu)

掃描隧道顯微鏡下的納米團(tuán)簇當(dāng)前第12頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)前第13頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)48個(gè)鐵原子在銅表面排列成直徑為14.2納米的圓形量子?xùn)艡谟脪呙杷淼里@微鏡的針尖將原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字，漢字的大小只有幾個(gè)納米當(dāng)前第14頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)前第15頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)1991年，IBM公司的“拼字”科研小組用STM針尖移動(dòng)吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成了一個(gè)大腦袋小人的形象。圖中每個(gè)白團(tuán)是單個(gè)一氧化碳分子豎在鉑表面上的圖象，頂端為氧分子，各個(gè)分子的間距約0.5nm。這個(gè)"分子人"從頭到腳只有5nm高，堪稱世界上最小的人形圖案。納米神算子——

分子算盤科學(xué)家把碳60分子每十個(gè)一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來(lái)，而是沿著銅表面的原子臺(tái)階排列的。

當(dāng)前第16頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)四.納米材料：Ⅰ、納米材料的定義：

納米材料，指的是具有納米量級(jí)（1~100nm）的晶態(tài)或非晶態(tài)超微粒構(gòu)成的固體物質(zhì)。納米材料真正納入材料科學(xué)殿堂是德國(guó)科學(xué)家Gleiter等于1984年首用惰性氣體凝聚法成功地制備了鐵納米微粒，并以它作為結(jié)構(gòu)單元制成納米塊體材料。

多孔納米線當(dāng)前第17頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)Ⅱ.納米材料的性能及制備方法：ⅰ.小尺寸效應(yīng)ⅱ.量子效應(yīng)ⅲ.界面效應(yīng)ⅳ.表面效應(yīng)ⅰ.物理的蒸發(fā)冷凝法ⅱ.分子束外延法ⅲ.機(jī)械球磨法ⅳ.化學(xué)的氣相沉淀法ⅴ.液相沉淀法ⅵ.溶膠-凝膠法ⅶ.水熱法當(dāng)前第18頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)小尺寸效應(yīng)

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)納米顆粒而言尺寸變小，同時(shí)其表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。當(dāng)前第19頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)納米金屬與陶瓷金屬納米顆粒對(duì)光吸收顯著增加；熔點(diǎn)會(huì)顯著下降。金的熔點(diǎn)在一般情況下是1064℃,2nm的金顆粒熔點(diǎn)降為330℃。納米陶瓷只需用不高的溫度即可將其熔化并燒結(jié)成耐高溫的元件。普通陶瓷沒(méi)有足夠的韌性。而納米陶瓷甚至能夠具有超塑性質(zhì)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)量子效應(yīng)

大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，而納米材料的能帶將分裂為分立的能級(jí)。能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能、或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子效應(yīng)。例如導(dǎo)電的金屬在納米顆粒時(shí)可以變成絕緣體；又由金屬變?yōu)榘雽?dǎo)體。當(dāng)前第21頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)表面效應(yīng)

納米材料表面積大大增加，表面結(jié)構(gòu)也發(fā)生很大的變化。因此，與表面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化以及擴(kuò)散等物理化學(xué)性質(zhì)，納米材料與宏觀材料有顯著的區(qū)別。納米材料的表面積大、表面活性強(qiáng)，在催化領(lǐng)域中前景良好。----納米催化劑

當(dāng)前第22頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)納米催化劑例如粒徑為10nm時(shí)，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm時(shí)，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm時(shí)，比表面積猛增到450m2/g。如超細(xì)硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；用超細(xì)的Fe3O4微粒做催化劑可以在低溫(270～300℃)下將CO2分解為碳和水;如在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加約1wt%的納米Al或Ni粒子，每克燃料的燃燒效能可提高一倍。

當(dāng)前第23頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)界面效應(yīng)

納米材料具有非常大的界面。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)出很好的韌性與一定的延展性，使材料具有新奇的界面效應(yīng)。當(dāng)前第24頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)納米鐵材料，可以制成高強(qiáng)度、高韌性的特殊鋼材，強(qiáng)度提高12倍，硬度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別超過(guò)1200MPa和1400MPa。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。

界面效應(yīng)

當(dāng)前第25頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)五納米材料的應(yīng)用

由納米顆粒制成的材料與普通材料相比，在機(jī)械強(qiáng)度、磁、光、聲、熱等方面都有很大的不同，可制造出各種性能優(yōu)良的特殊材料。

當(dāng)前第26頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)1、納米材料用于紡織品，經(jīng)過(guò)獨(dú)特的工藝處理，將紫外線隔離因子引入纖維中，能起到防紫外線、阻隔電磁波，具有無(wú)毒、無(wú)刺激，不受洗滌、著色和磨損等影響的作用，可以有效保護(hù)人體皮膚不受輻射傷害。

當(dāng)前第27頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)2、納米生物技術(shù)的成果也會(huì)為制造人造器官和人造皮膚提供便利。如今科學(xué)家們已經(jīng)能夠利用燒傷患者未被破壞部分的皮膚細(xì)胞制成被燒傷部位的人造皮膚，并使其具有正常的代謝作用。將來(lái)納米生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展還會(huì)為醫(yī)生有效治療腦血栓提供可能。納米微粒也將會(huì)在摧毀腦腫瘤方面起到重要作用。

當(dāng)前第28頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)3、納米技術(shù)用在醫(yī)學(xué)上，專家們把磁性納米復(fù)合高分子微粒用于細(xì)胞分離，或者把非常細(xì)小磁性納米微粒，放入一種液體中，然后讓病人喝下后，對(duì)人身體的病灶部位進(jìn)行治療，并且通過(guò)操縱，可使納米微粒在人的身體病灶部位聚集進(jìn)行有目標(biāo)的治療，在不破壞正常細(xì)胞的情況下，可以把癌細(xì)胞等分離出來(lái)，也可以制成靶向藥物控釋納米微粒載體（俗稱“生物導(dǎo)彈”），用于治療腦栓塞等疾病，同時(shí)也可用納米技術(shù)生產(chǎn)出納米探針（微型機(jī)器人）深入體內(nèi)治療疾病或清理體內(nèi)垃圾等。

當(dāng)前第29頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)5、納米技術(shù)如果應(yīng)用在陶瓷上，可使陶瓷具有超塑性，大大增強(qiáng)了陶瓷的韌性，不怕摔，不怕碎，陶瓷堅(jiān)固無(wú)比。另外，還能用納米技術(shù)識(shí)別化學(xué)和生物傳感器材料。令科學(xué)家高興的是，納米鈦與樹脂化合后生成的多種全新涂料，具有多種同類產(chǎn)品無(wú)法相比的優(yōu)越性，在海水中浸泡10年不損，并具有神奇的自我修復(fù)能力和自潔性，納米鈦還作為唯一對(duì)人植物神經(jīng)、味覺(jué)沒(méi)有任何影響的金屬，其用途廣泛。

當(dāng)前第30頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)

5、

用于制造微型武器。利用納米技術(shù)可以把傳感器、電動(dòng)機(jī)和數(shù)字智能裝備集中在一塊芯片上，制造出幾厘米甚至更小的微型裝置。在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，將出現(xiàn)能像士兵那樣執(zhí)行軍事任務(wù)的超微型智能武器裝備。據(jù)報(bào)道，美國(guó)研制的小型智能機(jī)器人，大的像鞋盒子那么大，小的如硬幣，它們會(huì)爬行、跳躍甚至可飛過(guò)雷區(qū)、穿過(guò)沙漠或海灘，為部隊(duì)或數(shù)千公里外的總部收集信息。微型機(jī)電武器還可用于敵我識(shí)別、探測(cè)核污染和化學(xué)毒劑、無(wú)人偵察機(jī)等。當(dāng)前第31頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)“人”！——是誰(shuí)創(chuàng)造了這個(gè)字？這個(gè)字是人所創(chuàng)造，人必須全力保護(hù)這個(gè)字。這個(gè)字與古人今人同在，與天地日月共存。王中林博士簡(jiǎn)歷

歐洲科學(xué)院院士、世界創(chuàng)新基金會(huì)院士美國(guó)佐治亞理工學(xué)院最年輕的校攝政董事教授

王中林﹐男﹐1961年出生﹐1982畢業(yè)于西北電訊工程學(xué)院(現(xiàn)名西安電子科技大學(xué))﹐并于同一年考取中美聯(lián)合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987年獲美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)物理學(xué)博士。從1987到1994﹐他曾在紐約州立大學(xué)石溪分校﹐英國(guó)劍橋大學(xué)開文迪許實(shí)驗(yàn)室﹐美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室﹐和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)定量局從事過(guò)研究工作。王博士1995年被佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)聘為副教授和電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室主任﹐于1999年提前晉升為該校終身制正教授并擔(dān)任電子顯微鏡中心主任,并于2004年晉升為佐治亞理工學(xué)院最年輕的校攝政董事教授(Regents’Professor)。當(dāng)前第32頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)“人”！——是誰(shuí)創(chuàng)造了這個(gè)字？這個(gè)字是人所創(chuàng)造，人必須全力保護(hù)這個(gè)字。這個(gè)字與古人今人同在，與天地日月共存。

王中林博士于2000年9月創(chuàng)建了佐治亞理工學(xué)院的納米科學(xué)和技術(shù)中心并擔(dān)任該中心主任。王教授已在國(guó)際一流刊物上發(fā)表了400篇論文﹐45篇綜述和書章節(jié)文章﹐140篇會(huì)議論文﹐8項(xiàng)專利，4本專著和10本編輯書籍。他已被邀請(qǐng)做過(guò)300多次學(xué)術(shù)講演和大會(huì)特邀報(bào)告。他的學(xué)術(shù)論文已被引用6000次以上。他成功地組織和擔(dān)任過(guò)7次學(xué)術(shù)會(huì)議的主席。王教授榮獲了美國(guó)顯微鏡學(xué)會(huì)1999年巴頓獎(jiǎng)?wù)漏o佐治亞理工學(xué)院2000年杰出研究獎(jiǎng)﹐2001年獎(jiǎng)金(美化學(xué)學(xué)會(huì))﹐美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)CAREER基金﹐中國(guó)首批國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)海外優(yōu)秀青年科學(xué)家基金,中國(guó)科學(xué)院海外杰出學(xué)者基金獲得者，中國(guó)科學(xué)院海外專家顧問(wèn)團(tuán)成員和國(guó)家自然基金委海外評(píng)委，國(guó)家自然科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)評(píng)委。他是國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任，教育部清華大學(xué)“長(zhǎng)江”特聘講座教授。他是科學(xué)院化學(xué)所名譽(yù)教授,中山大學(xué)名譽(yù)教授，北京大學(xué)客座教授﹐北京大學(xué)籌建工學(xué)院專家小組成員，浙江大學(xué)客座教授﹐華南理工大學(xué)客座教授，哈爾儐工業(yè)大學(xué)客座教授，廈門大學(xué)客座教授，中國(guó)科學(xué)院國(guó)際量子中心海外中心成員﹐北京科技大學(xué)客座教授，以及10多種期刊和雜志的編委和編輯。王中林博士簡(jiǎn)歷

當(dāng)前第33頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)納米團(tuán)簇的研究背景和意義當(dāng)前第34頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)前第35頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)(1).小尺寸效應(yīng)：尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及相干長(zhǎng)度等相當(dāng)或更小時(shí)，導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等物性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。

(2).表面效應(yīng)：d(nm)N表面(%)1030,0002044,0004022508013099(3).量子尺寸效應(yīng)：T=1K,d=14nm納米團(tuán)簇的基本物理效應(yīng)當(dāng)前第36頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)(4).宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力。宏觀量：微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量，亦具有隧道效應(yīng)。Fe-Ni薄膜中疇壁運(yùn)動(dòng)速度在低于某一臨界溫度時(shí)基本上與溫度無(wú)關(guān)。限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的時(shí)間極限。(5).庫(kù)侖阻塞與庫(kù)侖臺(tái)階效應(yīng)：VI當(dāng)前第37頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇：幾個(gè)，幾十個(gè)，成千上萬(wàn)的原子的聚合體。0.1nm~10nm性質(zhì)既不同于單個(gè)原子、分子，也不同于固體或液體王廣厚<<團(tuán)簇物理的新進(jìn)展>><<物理學(xué)進(jìn)展>>1994年6月，1998年3月當(dāng)前第38頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)團(tuán)簇研究的基本問(wèn)題：弄清團(tuán)簇如何由原子、分子一步一步發(fā)展而成，以及隨著這種發(fā)展，團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如何變化。當(dāng)前第39頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)貴金屬納米團(tuán)簇的熱力學(xué)性質(zhì)當(dāng)前第40頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)引言

納米團(tuán)簇是指由幾個(gè)到幾百個(gè)乃至上千原子，分子，或者離子結(jié)合在一起，構(gòu)成的相對(duì)穩(wěn)定的非剛性結(jié)合體，是單個(gè)原子分子到宏觀固體之間的過(guò)渡態(tài)。納米團(tuán)簇的許多性質(zhì)如熔點(diǎn)，凝固點(diǎn)，勢(shì)能基，態(tài)結(jié)構(gòu)，都隨其尺寸變化，并且由微觀向宏觀過(guò)渡。了解納米團(tuán)簇?zé)崃W(xué)性質(zhì)隨尺寸的變化，對(duì)正確理解材料微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程及制備優(yōu)質(zhì)的納米材料，都有十分重要的意義。Cu500

中科院物理所當(dāng)前第41頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所引言但是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究納米團(tuán)簇，目前仍然非常困難：1、目前實(shí)驗(yàn)上很難制備出穩(wěn)定的小尺寸的納米團(tuán)簇。2、即使制備出來(lái)一定尺寸的納米團(tuán)簇，也包含很多不同結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體。3、性質(zhì)測(cè)量和理論解釋也非常困難。因此，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)團(tuán)簇的研究不但是有益的補(bǔ)充，并且是必要的手段之一。利用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)能模型，分子動(dòng)力學(xué)方法是研究納米團(tuán)簇的一種非常有效的手段。當(dāng)前第42頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所引言納米團(tuán)簇的相變特性同熱力學(xué)，能量，動(dòng)力學(xué)的尺寸效應(yīng)等密切相關(guān)，具有豐富的物理內(nèi)涵，引起人們極大的研究興趣。已經(jīng)有幾個(gè)小組研究了貴金屬團(tuán)簇的相變：1、Garcia-Rodeja等人研究了原子個(gè)數(shù)在2到23之間的金、銀、銅和鉑團(tuán)簇的熔化行為，發(fā)現(xiàn)所有包含13個(gè)原子的團(tuán)簇都具有高的熔點(diǎn)，而包含14和20個(gè)原子的團(tuán)簇有預(yù)溶化現(xiàn)象。2、Cleveland等人對(duì)金團(tuán)簇的研究結(jié)果表明，在溶化前，所有團(tuán)簇都發(fā)生了固－固結(jié)構(gòu)相變，從低溫的基態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到二十面體結(jié)構(gòu)。3、Baletto等人利用分子動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究了銀納米液滴的凝固過(guò)程，發(fā)現(xiàn)不科避免的會(huì)形成小的二十面體。4、Vakealahti等人利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了包含55，147和309個(gè)原子的銅團(tuán)簇，結(jié)果表明動(dòng)力學(xué)共存過(guò)程（固相和液相）可以擴(kuò)展到中等尺度的納米團(tuán)簇。5、Baletto等人研究了含55個(gè)原子的鉑團(tuán)簇，模擬結(jié)果表明其具有墑效應(yīng)和勢(shì)能井。當(dāng)前第43頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所引言雖然有如此豐富的研究成果，但相對(duì)于鈉納米團(tuán)簇，貴金屬團(tuán)簇仍有很多性質(zhì)噬待澄清。并且我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有那個(gè)小組系統(tǒng)的研究過(guò)尺寸介于100到1000個(gè)原子的貴金屬團(tuán)簇的相變特性。正是基于上述原因，我們利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法和原子嵌入勢(shì)能模型，詳細(xì)研究了原子個(gè)N=106、140、180、216、256、312、360、408、500、628、736和864的貴金屬金、銀、銅和鉑團(tuán)簇的溶化和模擬過(guò)程分析了它們?cè)谙嘧兦暗臒崃W(xué)性質(zhì)。當(dāng)前第44頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬方法與勢(shì)函數(shù)我們是在分子動(dòng)力學(xué)方法下，利用半經(jīng)驗(yàn)的原子嵌入模型（EAM)來(lái)研究銅納米團(tuán)簇的。原子嵌入模型是由Jonhson等人建立的已經(jīng)證明能夠有效處理貴金屬相變的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)的多體勢(shì)能模型。之所以稱其為半經(jīng)驗(yàn)是因?yàn)殡m然它用局域電子密度理論來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的總能量，但是泛函中的許多參數(shù)（如晶格常數(shù)，體變模量，結(jié)合能，彈性常數(shù)等）都是從實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出來(lái)的。EAM所用的方程如下：

當(dāng)前第45頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬方法和勢(shì)函數(shù)對(duì)于不同的模擬方法，選擇的勢(shì)函數(shù)有所不同，本文模擬的銅具有面心立方結(jié)構(gòu)（fcc），因此，采用Johonson針對(duì)fcc結(jié)構(gòu)的表達(dá)式：

其中當(dāng)前第46頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬過(guò)程為了保證模擬結(jié)果的客觀性，模擬前，先應(yīng)把團(tuán)簇制備好：

首先，從具有fcc結(jié)構(gòu)的銅晶體中，截取出原子個(gè)數(shù)為N,半徑為R的球形團(tuán)簇，其中一個(gè)原子為球心。fcc140atoms然后，對(duì)獲得的團(tuán)簇進(jìn)行退火，輸入到模擬程序中。當(dāng)前第47頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬過(guò)程

模擬過(guò)程中，團(tuán)簇能量（或溫度）的改變是通過(guò)熱化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。先設(shè)置一個(gè)確定的溫度，在該溫度下按麥可斯韋（Maxwell）速度分布隨幾賦給團(tuán)簇中的每個(gè)原子一個(gè)初始速度，從而達(dá)到改變團(tuán)簇能量（或溫度）的目的。由于麥可斯韋分布是對(duì)大量原子的一種統(tǒng)計(jì)分布，漲落不可避免，設(shè)定的初始溫度往往與團(tuán)簇達(dá)到平衡后的統(tǒng)計(jì)溫度有較大差別，為了提高模擬效率，在具體模擬時(shí)，熱化次數(shù)是根據(jù)變化的總能量來(lái)確定。對(duì)于小團(tuán)簇來(lái)說(shuō)，大的漲落不可避免，目前我們只能通過(guò)延長(zhǎng)模擬時(shí)間來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。因此，每一次模擬都超過(guò)4×106個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)（每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為2fs）。在熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)附近，因其不穩(wěn)定性，所需模擬時(shí)間比其他位置的模擬時(shí)間要長(zhǎng)的多。當(dāng)前第48頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論在研究系統(tǒng)的相變時(shí)，最常用的方法是計(jì)算其勢(shì)能函數(shù)U(T)。在發(fā)生相變時(shí)，Ｕ(T)將出現(xiàn)一個(gè)跳躍變化，對(duì)應(yīng)于熱容c(T)的一個(gè)極值：團(tuán)簇的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)就被定義為熱容極值所對(duì)應(yīng)的溫度。作為例子，Au312,Ag312,Cu408和Pt360在熔化和冷凝過(guò)程中勢(shì)能隨溫度的變化曲線如圖１所示，躍變表明該團(tuán)簇產(chǎn)生了固／液相變。從圖１還可以看出，相變是發(fā)生在一定溫度范圍內(nèi)，既當(dāng)團(tuán)蔟熔化時(shí)，先從表面原子開始，逐漸向內(nèi)部過(guò)渡，最終整個(gè)團(tuán)蔟變?yōu)橐簯B(tài)。反之亦然。當(dāng)前第49頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論圖1Au312,Ag312,Cu408,和Pt360納米團(tuán)簇的勢(shì)能-溫度曲線：（a）熔化過(guò)程，（b）冷凝過(guò)程Fig.1ThecurvesofpotentialenergiesvstemperatureforAu312,Ag312,Cu408,andPt360nanocluster:(a)meltingprocess,(b)freezingprocess當(dāng)前第50頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論圖2Au312,Ag312,Cu408和Pt360納米團(tuán)簇的熱容-溫度曲線：（a）熔化過(guò)程，（b）冷凝過(guò)程Fig.2ThecurvesofheatcapacitiesvstemperatureforAu312,Ag312,Cu408andPt360nanocluster:(a)meltingprocess,(b)freezingprocess當(dāng)前第51頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論－－熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)表1不同尺寸貴金屬納米團(tuán)簇的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)Table1MeltingandfreezingpointsofnoblemetalnanoclustersNAuAgCuPtTm(K)Tf(K)△T(K)Tm(K)Tf(K)△T(K)Tm(K)Tf(K)△T(K)Tm(K)Tf(K)△T(K)14060956247723632917326799010691021531806545985664060139752694581130106664216638593456496113876971158117911255425668764839661621407827285412331173603127276834467163041802743591263121350360739697426816414082776166127212244840874870642687647408487757312971255425007677254270366340883819641309126841628786744427246834191684769131412734173680776740743701429508886213291283468648297834676472440986921651342129844當(dāng)前第52頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論－－熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)圖3不同尺寸貴金屬納米團(tuán)簇熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)變化的曲線：（a）熔點(diǎn)，（b）凝固點(diǎn)Fig.3Meltingandfreezingtemperaturevssizeofnoblemetalnanoclusters:meltingtemperature,(b)freezingtemperature當(dāng)前第53頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與討論－－熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)表１是通過(guò)熱容曲線得到的銅原子納米團(tuán)蔟的熔凝點(diǎn)，圖３是其熔凝點(diǎn)隨相應(yīng)團(tuán)蔟原子個(gè)數(shù)的變化曲線。從表１可以看出，所有團(tuán)簇的熔凝點(diǎn)都低于其相應(yīng)的大塊晶體的固／液相變溫度，這個(gè)結(jié)果同前人的研究一致。但也有一個(gè)小組（Shvartsburg等人）發(fā)現(xiàn)包含１０到３０個(gè)原子的錫團(tuán)簇熔點(diǎn)高于其大塊晶體。但從圖１可以看出，貴金屬原子團(tuán)簇的熔凝點(diǎn)隨其原子個(gè)數(shù)Ｎ的變化是多種多樣。當(dāng)前第54頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)－－金原子團(tuán)簇圖4金原子納米團(tuán)簇熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化右圖4是金團(tuán)簇熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化曲線，從圖中可以看出：1、對(duì)小團(tuán)簇（N<180），熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)迅速增加，在180到達(dá)一個(gè)極大值，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)小的下降；2、大于216開始，熔點(diǎn)電又迅速增加，直到312個(gè)原子。3、從312個(gè)原子開始，團(tuán)簇熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)緩慢的線性增加。當(dāng)前第55頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)－銀原子團(tuán)簇圖5銀原子團(tuán)簇熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化右圖5是銀團(tuán)簇熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化，從圖中可以看出，其相對(duì)于金團(tuán)簇要簡(jiǎn)單的多：從180個(gè)原子開始，團(tuán)簇熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)分別隨原子個(gè)數(shù)線性增加；而140個(gè)原子團(tuán)簇熔點(diǎn)高于比它大的團(tuán)簇。當(dāng)前第56頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)－－銅原子團(tuán)簇圖6銅原子團(tuán)簇熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化右圖6是銅團(tuán)簇熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化曲線，從圖中可以看出，隨原子個(gè)書的增加，銅團(tuán)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)分別呈線性增加。當(dāng)前第57頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)－－鉑原子團(tuán)簇圖7鉑原子團(tuán)簇熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化右圖7是鉑原子團(tuán)簇的熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)的變化曲線，從圖中可以看出，隨原子個(gè)數(shù)增加，熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)也分別隨之增加；但可分為兩個(gè)部分：1、小于256個(gè)團(tuán)簇，熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)快速線性增加；2、大于408個(gè)原子，熔凝點(diǎn)隨原子個(gè)數(shù)緩慢的線性增加。當(dāng)前第58頁(yè)\共有62頁(yè)\編于星期二\12點(diǎn)中科院物理所模擬結(jié)果與