纳米材料的特征及制备方法
材料先进制备技术课程论文
论文题目：纳米材料的结构特征及其制备方法指导教师：王为民
学院：材料科学与工程学院
班级：材研0903班
姓名：郭飞
学号：104972090098
时间：2010年01月
纳米材料的结构特征及其制备方法
郭飞
(武汉理工大学材料学院湖北武汉 430070)
摘要
纳米技术是在20世纪的最后几十年中产生并发展起来的一门高新技术，它是以纳米尺度为前提的新的材料科学技术。以其纳米材料的超微细结构所显示出的物质固有的特异性能：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等。本文系统地概括了纳米材料的结构特征及其制备方法。并简单地叙述了纳米材料制备的后续工艺。
关键字：纳米材料，结构特征，制备方法
Abstract
Nano technology is the high grade technology which was produced and developed in the last decades of the 20th century, the same time, it is a new materials science and technology basing on the new nanoscale. With its ultra-fine structure of nano-materials have shown the specificity inherent in the material: small size effective, surface effective, quantum size effective. This paper systematically summarized the structural characteristics of nano-materials and its preparation methods. And simple description of the follow-up process of the nano-materials preparation. Keywords: nano-materials, structural characteristics, preparation methods
1.纳米材料概述
1.1 纳米材料的定义
物质材料的结果组成相或晶粒结构小于100nm者并具有特殊功能的材料称为纳米材料。随着物质粒度的减小至一定程度，其性质发生突变，这种由形变到质变的临界尺寸是与材料的种类和使用的环境条件等因素有关，换句话说，这个晶粒尺寸上限存在一个叫宽的范围。一般，物质材料在常温下其物理、化学性质
发生显著变化时，颗粒尺寸大多是处于100nm以下。因此，从功能材料角度出发，将纳米材料的粒度尺寸上限定为100nm。当尺寸小于100nm时为原子族，所以，通常将纳米材料的粒子和晶体结构的尺度规定为1nm~100nm。
1.2 纳米材料研究的内涵
纳米材料的进步，激发纳米材料研究的内涵不断在扩大。前期主要集中在纳米粒子（纳米晶、纳米相、纳米非晶等）以及由它们组成的薄膜与块体结构材料，如今，纳米材料研究又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料（包括凝胶和气凝胶），例如，气凝胶孔隙率高于90%，孔径大小为纳米级，这样，孔隙间的材料实际上就是纳米尺度的微粒或丝，这种结构给嵌鑲和组装纳米微粒提供了一个三维空间构架。纳米管的出现，更丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米结构提供了新的机遇。
从几何角度来分，纳米材料科学的研究对象应包括以下几个方面：横向结构尺寸大小100nm的物体；粗糙度小于100nm的表面；纳米微粒与多孔介质的组装体系；纳米微粒与常规材料的复合等]1[。
2.纳米材料的结构与特性
纳米材料之所以性能优异，就在于材料的微观组织结构上与普通材料不同，其晶粒细小、界面密度高以及组成相的不同反应在起作用。因此，决定了纳米材料具有许多迥异于普通材料的独特性质。
常规材料中其结构组成的基本颗粒直径尺寸，小至几微米，大到几毫米，这样的颗粒则包含原子的数目多达数十亿个。但当物理颗粒进入到纳米尺度，原子的数目就大大减少，只有几百到几万个。
人们通常对细微的概念形象地用头发丝经的粗细来对比描述，其实发丝直径不过50μm~70μm，单个细菌是肉眼看不见的，在显微镜下测得约为5μm，蛋白质的尺寸为1nm~20nm。最小的物质单元当属原子。氢原子直径为0.1nm；氧原子直径为0.12nm；一般金属原子为0.3nm~0.4nm。所以在1nm长度内大致相当于4个~5个原子排列的尺寸]4~2[。
如果在1nm3的各方上排布5个原子，这样在整个晶粒中则可容纳125个原子，处于六面体表面上的原子就有98个，约占原子总数4/5。基于这种原因，就
决定着纳米粒子或者由纳米粒子而构成的块体材料具有着特异的性能。
探知和深究纳米材料的特异性能及其隐含的源头，必须从组成物质的原子结构和微观世界物质运动规律的科学理论轨迹去追索和认识。为了进一步弄清楚物质出现纳米粒子这一个“临界尺寸”限域，首先得对原子结构的特征有个理性的概括认识，特别是要把量子力学的有关基本理念同纳米材料出现的新颖物性联系起来，重新认识物质固有的性能。
2.1纳米材料的结构
2.1.1纳米材料的结构类型
以纳米尺度为基准，按照空间维数将纳米材料可分作零维、一维、二维和三维四种类型；①零维，是指在三维尺度上都处于纳米量级的材料，这就是纳米粒子；②一维，是指两维尺度均处于纳米量级，如纳米丝、纳米棒、纳米带、纳米管；③二维，三维空间中有一维处于纳米尺度，例如，纳米膜；④三维，是指纳米晶粒结构组成的块材。低维结构的纳米材料各有其独特的性质和用途，尤其显示了纳米材料非凡的价值，同时是构成高维纳米材料的基本组元，能够影响或决定所构成材料的根本性能]65[、。
2.1.2纳米粒子
纳米粒子，是指物质的粒径处于纳米尺度，通常以粉体集合体出现，是纳米材料最初级和最基本的组成形式。纳米粒子的尺寸大小，由于处在微观粒子与宏观物体之间的过渡区域，因而也被看作“介观领域”，是属新的材料领域。当物质颗粒减小到纳米尺度时，则其构成物质粒子的是由为数不多的原子、分子结合而成的原子团、分子团，以至原子数目达几万个的超微粒子壳层结构。正是这一尺度下的粒子结构，决定了其具有特殊的小尺寸效应。从而，当物质的粒子尺寸达到纳米尺度领域时，将会出现不同于普通晶态和非晶态的优异性质，比如特殊的力学、电学、光学、磁学、热学以及强烈的化学活性、催化活性和烧结性能等。
当粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子占总原子的百分数急剧增加，纳米粒子的表面积、表面能和表面结合能都迅速增大。由此而带来一系列效应，同时使得纳米粒子之间，纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常强烈。由于这种强烈的作用而使得纳米粒子具备了一系列特殊的性能。诸如，粒子的吸附、催化、
整合和烧结性能等。从而给纳米粒子材料的进一步加工、应用奠定了技术基础。
2.1.3纳米薄膜
纳米薄膜一般分为两类：一类由纳米粒子组成或堆砌而成；另一类在纳米粒子间有许多孔隙或无序原子或其他材料。
纳米材料薄膜的特性取决于组成膜的纳米粒子所具有的各种效应和其结构特征。纳米薄膜由于在光学、电子、催化、敏感性等方面很有特性，尤其在武器装备和作战使用上有许多直接和间接的应用，其前景极为广泛。
今年来，无机膜以其良好的化学稳定性和热稳定性、抗腐蚀性能和机械性能、易清洗和表面修饰性能等而得到迅速发展。其应用已从气体分离扩展到催化应用。膜催化工艺是把膜分离和催化反应两个单元操作工艺合并在一步，分离和反应协同进行。一方面由于不断从反应过程中分离出产物，避免产物的二次反应，可以提高反应的选择性和转化率。另一方面，可实现产物与反应物的分离。催化膜与膜催化已成为膜科学与催化技术共同关注的热点。
2.1.4纳米流体材料
纳米流体材料主要是指在液体或气体中悬浮纳晶粒子的材料。最近的实验表明，通过在流体中悬浮纳晶粒子同不含悬浮粒子的同一流体相比，这种纳米流体可大幅度提高导热系数和传热速率。
中国科学院上海硅酸盐研究生谢华清等人对SiC纳米粉体悬浮液的导热系数作了研究]7[，实验结果表明：对于所研究的悬浮液，其有效导热系数相对增加量，随固相粒子加入量成线性增加；固相颗粒形貌对有效导热系数相对增加有显著影响；基体液体虽对有效导热系数相对增加量有显著影响；基体液体虽对有效导热系数相对增加无明显影响，但有效导热系数的绝对量，是由基体液体的导热系数决定。
常温下固体材料的导热系数比流体要大2个数量级，而作为水、醇、油等传统流体本身的导热系数和比热容都很小，这极大地限制了其换热效率的提高。目前，只能采取增加热交换面积和高低温差的办法来应对，显然难以满足。因此，要提高换热效率，开发具有高导热系数的优异流体，将是迫切而又可行之举。可以想象，在流体中加入纳米颗粒，将会提高其导热系数。
2.1.5 纳米态水
纳米技术最终是以原子拼装操纵而创造物质。水同样也有可能在理想的条件下用现代技术手段予以造就或改性。
据报道]8[，北大博雅技术实业公司研制成功“纳米水”。纳米结构的水不是普通水，应该说是纳米态水。普通水在化学中属于一种由多个水分子结合而成的较复杂的称为“缔合分子”的液体，由于氢键的存在而使得水成为极性液体，从而构成n 2O)(H 缔合分子（n=2,3,…整数）。在自然条件下水分子之间的缔合是“分
子间力”的作用，实质上由于氢键的作用。
氢键与化学键的不同就在于其键长较长而键能较小，易于遭到破坏，所以欲得到纳米结构的水，必须避免氢键的形成或在分子缔合初始就予以隔断。分子缔合随温度的升高会使这种现象逐渐消失，可见只有将其雾化分离成细微的小分子程度，以纳米加工技术接着将其喷洒在特定包裹介质中，使水分子被包覆隔离。
2.1.6 纳米相块体材料
纳米相各种类型的块体材料都是由微细的晶粒组成，其微观结构组织实际上是晶粒中原子的长度有序排列和无序界面成分的组合。这种纳米材料具有大量的界面，比如10nm 晶粒大小组成的块材界面为319/106cm 。处于晶界上的原子数比达15%~50%]10,9[。
晶粒结构是构成纳米材料并影响材料性能的主要因素，晶粒的大小、形状以及分布状况都会直接关系着材料的力学性能。其次，由于目前纳米相块体材料的制备工艺方法所限，造成的晶粒缺陷和原子缺陷，都是影响因素。
实验与检测表明，纳米相材料中的形变为错是很少的，这对于纳米材料的力学行为有重要影响。因为在开始没有足够数量的可移动的为错来改变纳米材料的塑性，所以必有新的可动为错产生，或者有其他形变，如晶界滑移起作用。实际上，在足够微小的晶粒中临界应力变得大于传统材料的屈服应力，甚至接近完全无位错的单晶体的理论屈服强度。
影响纳米块体材料力学行为的另一个重要因素——微孔。在纳米材料制备工艺，特别是由纳米粒子来压制三维块体材料的过程中，必然引起原子族的类挤压
变形，会在晶粒中充满微孔，起码是局部出现了微孔。目前的研究表明，由团族和纳米粒子在室温下压制成的纳米材料，都会有相当数量的这种气孔，约占体积的5%~25%。对于金属来说有较小的比值，而对陶瓷是趋向较大的比值。
2.2纳米材料的特异性能
材料的结构组织决定着材料的性能。显微结构的大小、形状以及分布状况直接关系到给材料的性能表现。纳米材料是由两种结构组元构成；一是纳米晶体；二是界面组织。晶体组元由所有纳米晶粒中的原子组成，各原子都排列有序地分布在其晶格位置上。界面组元是由各个纳米晶粒的表面原子所形成的晶粒间的界面原子组成。当晶粒尺寸减小，晶界相的相对占整个晶体的体积比列增大，处于界面上的原子达15%~50%。
当物质粒子尺寸减小到纳米尺度时，将会显现出优于同组分粗晶粒结构或非晶态结构的性质。而这些特性的出现主要是由其表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应所引起的。
2.2.1表面效应]11,9[
表面效应，是指纳米粒子的表面原子与总原子数之比，随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。因为粒子的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，使得粒子表面处于非对称的力场，在表面上作用着与内部能量不同的力，处在高能状态，具有比内部过剩的表面能。形象地说，处在粒子表面的原子主要地受到来自内部一侧的作用力限制，其结合能与内部原子不同、存在悬空键，原子配位不全，具有不饱和性质，因而极易与外界原子相结合而趋向稳定，化学活性很高。
1.催化性能
纳米粒子鉴于其大的比表面积，表面活化中心多，作为催化剂的催化活性和选择性大大优于常规催化剂，甚至已往一些不能进行反应的都能够完全进行。根据报道，纳米催化剂对光解水制氢、以及一些有机合成反应具有明显的光催化活性；对催化氧化、还原以及裂解反应有着明显的活性和选择性。
2.作为组剂
提高与改善某些制品性能，需要各种性能优异的化学组剂，纳米材料以其独到的优势已经提供了多种性能优越的组剂。
纳米材料在化妆品加工中，替代了有机化合物作为新型的防晒剂和抗菌剂，具有无毒、无味、无刺激、热稳定、光稳定和化学稳定等优异性。
3.环境敏感性的作用
人类社会的可持续发展要求，其中最主要手段之一，就是对环境进行有效监控。利用纳米粒子的电阻随周围气体组成的变化而变化的特性，制做成有关气敏传感器，用以检测目标气体含量，以便及时采取对策。目前，利用纳米材料制做的气体报警器和湿度计已投入使用。
2.2.2小尺寸效应
在物质的颗粒减小至纳米尺度时，引起物质的宏观物理、化学性质上的变化，称为小尺寸效应。从而，使得在力学、热学、光学及磁性等方面显示出优异性质。
1.优异的力学性质
纳米材料有着极佳的力学性能，如高的强度、硬度，良好的塑性和韧性，因为纳米相的各种材料，其结构组织基本上是由微细的晶粒和大量的界面所构成。
众所周知，普通粗晶粒材料中的形变结构是位错运动的结果。而纳米相材料中的位错几乎不存在，缺乏可移动的位错去改进纳米材料的塑性。纳米相金属块体材料的硬度要比传统的粗晶材料硬3倍~5倍也就不难理解了。
2.优异的热学性质
进入纳米粒度的材料，粒子中包容的原子数目不很多，其表面原子比内部原子热运动激烈，粒子的熔点温度比同种固体材料的熔点要低。实验表明，平均粒径为40nm的Cu，其熔点由普通固体Cu的1053℃降到750℃，降低约300℃。粗晶粒的金（Au）熔点为1064℃,粒度减小到10nm时熔点降至1037℃，当粒度减小到2nm时则变为327℃。银（Ag）的常规熔点为960℃，而纳米Ag粉熔点变为100℃]9[。
3.优异的光学性质
纳米金属粒子对光的吸收特性与普通粗晶粒材料不同。比如，所有金属材料的颗粒当减小到超微粒子状态时，都会失去其原来的光泽色彩，而呈现黑色，并且粒度越细越黑。利用光学性质可制做高效光热、光电转换材料，作高效太阳能收集器材，制做电镜——核磁共振波谱仪的吸波器材等。
4.优异的磁性
自然界的生物体中存在着超微磁性粒子，磁性微粒就是一个生物罗盘。一些昆虫、鸟类，如蜜蜂、蝴蝶等都能够在地磁场中辨识方向，有回归本领。这些动物体中的磁颗粒大小为20nm的磁性氧化物。超微粒子的磁性要比普通块材强许多倍]9[。
2.2.3量子尺寸效应
量子效应是指粒子尺寸减小到某一值时，它的性能由原来的连续性变成完全不同的不连续的性能。这是由于把自由运动的电子囚禁在一个微小的纳米粒子内，颗粒内的电子运动受到限制，处于束缚态中，原来连续具有任意动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接的结果表现在，当在金属颗粒的两端加上电压不合适时就不导电。
物质由宏观块材向超微粒子转变，原本在大块材料中的连续的能带随着而分裂为分立的能级。能级间的距离随颗粒尺寸减小而增大，当热能、电场能和磁场能比平均的能级间距还小时，超微粒子就会呈现一系列与宏观物体迥异的性质，这就是量子尺寸效应。
3. 纳米材料的制备方法
3.1纳米微粒（粉体）制备
国内外有关纳米微粒的制备方法很多，一般可分为物理方法和化学方法两大类]13
12
[，。
3.1.1物理方法
物理方法是指制备过程在不经化学反应的条件下，通过蒸发、冷凝、搅拌、球磨、热塑变形等制备纳米粒子的方法。物理方法主要分为蒸发·冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法以及新型电解法等。
这些制备方法的特点：制品粒子表面清洁、无杂质、粒度可控、活性高等优点。但大多数是生产率较低，设备复杂且成本高。
1.蒸发·冷凝法
蒸发·冷凝法也称物理气相沉积法，是采用真空蒸发，激光、电弧高频感应、电子束照射等方式，使原材料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷而使之凝
结而形成超微颗粒。特点：纯度高、结晶组织好、粒度可控；但技术设备要求高。根据采用加热源可分以下方式：真空蒸发·冷凝法、激光蒸发法、高压气体雾化法、高频感应加热法、热等离子体法、电子束照射法。
2.物理粉碎法
通过机械粉碎、冲击波诱导爆炸等方法合成单一或复合纳米粒子。其特点：操作简单、成本较低，但易引入杂质，降低纯度，粒度不易控制且分布不均，难以获得粒径小于100nm的微粒。近年来随着助磨剂物理粉碎法、超声波粉碎法等的采用，可制备出粒径小于100nm的微粒，但仍存在产量较低、成本较高、粒径分布不均的缺点，有待改进。
3.机械球磨法
利用高能球磨方法，控制适当的球磨条件，以获得纳米级晶粒的金属、合金或复合材料，这是1970年美国INCO公司的Benjianmin为制备Ni基氧化物粒子弥散强化合金，研制成功的一种新工艺。1988年Shingu首先报道了采用此种方法制备出晶粒小于10nm的Al-Fe合金。该方法工艺简单、生产效率高，并且能够制备出常规方法难以获得的高熔点金属和合金纳米材料，成本较低，不仅适用于制备纯金属纳米材料，并且还可制备互不相容体系的固溶体、纳米金属间化合物及纳米金属陶瓷复合材料等。但缺点是过程中易引入杂质、粒度分布也不均匀。
4.新型电解法
此法是一种新型电解法制备纳米金属粉末的工艺技术。其特点是将制粉过程和粒子表面包覆一次完成，从而得到纯度高、粒度均匀、高弥散、抗氧化的表面包覆超细金属及合金粉末。该法设备简单、成本低、易于工程放大并实现工业化生产。
3.1.2化学方法
化学方法是指在一定条件下，借助化学反应制备纳米材料的方法。根据反应体系相态不同可将化学方法分为气相化学法和液相化学法。化学法主要有气相沉积法、化学沉积法、水热合成法、胶体化学法、微乳液法等。
1.化学气相法
化学气相法是利用挥发性金属化合物蒸汽的化学反应合成所需要物质。特
点：粒度可控、纯度高、粒度分布窄且均匀、无粘结。
2.化学沉淀法
沉淀法是液相化学合成高纯度纳米微粒采用最广泛的方法之一。是将沉淀物加入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解，包括：共沉淀法、水解法、均匀沉淀法、氧化水解法、还原法等然后获得超微粒子。其特点是简单易行，但所得产品纯度低，粒径较大，适合制备氧化物。
3.水热合成法
通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质，再经分离和热处理得到纳米微粒。水热条件下离子反应和水解反应可得到加速和促进，使一些常温下反应很缓慢的热力学反应，在水热条件下可以实现快速反应。依据反应类型不同可分：水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等。特点：纯度高、分散性好、晶形好且粒度可控。
4.溶胶·凝胶法
这种方法的基本原理是：易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水发生反应，经水解与缩聚过程，逐渐凝胶化，再经干燥/烧结等后处理得到所需材料。其基本反应有水解反应和聚合反应，它可在低温下制备高纯度、粒度均匀、化学活性高的单组分和多组分混合物（分子级混合），并可制备传统方法不能或难以制备的产物，特别适用于制备非晶态材料。特点：反应物种多、粒度均一、过程易控。
5.微乳液法
两种互不相容的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚，热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的单分散和界面性好，Ⅱ~Ⅵ族半导体纳米粒子多采用此法制备。
3.2纳米晶粒结构材料的制备
任何能制造出精细晶粒尺寸多晶体的方法都可用来制造纳米材料。目前为止，真正获得具有清洁界面的金属及合金纳米块体材料的方法并不多，较成功的有以下几种方法。
3.2.1惰性气体蒸发—原位加压法
由惰性气体蒸发制备的纳米金属或合金微粒，在真空中用聚四氟乙烯刮刀从
冷上刮下，经低压压实装置轻度压实后，再在高压下原位加压制成块状试样。优点：纳米颗粒具有清洁的表面、很少团聚、块体纯度高、相对密度也高，但产量不易提高，不易制成大块试样，并且设备要求高。
3.2.2高能机械球磨法
以高能机械球磨所得的金属或合金粉体为原料，再配合压制及热处理来制备纳米金属或合金块体材料。另一种制备块体方法，是将球磨制成的纳米晶体粉放入高聚物中制成性能优良的复合材料。
3.2.3气相沉积法
利用化学气相沉积或电化学沉积技术，控制适当的工艺参数，可获得纳米材料。但是由于沉积厚度的限制，用这种方法所得为薄膜材料。
3.2.4高压压制法
根据脆性材料在高压下致晶粒碎化效应，通过压致碎化过程，直接制备块状纳米晶体材料。其晶粒界面是由于高压下晶粒内部产生的大量位错的规则排列形成的，完全清洁且非常致密，与传统制备方法得到的纳米晶界界面有很大区别。这种方法可制备出非常致密且具有一定硬度的块状纳米晶材料，并能相应的改善材料的性能。
3.2.5非晶晶化法
非晶态合金是近20年来世界各国都十分关注的一种新型功能材料，它具有一般粗晶材料所不具备的许多特异性能。因为它是由冶金过程中熔体的骤冷致合金过冷而玻璃化，故产生不了晶核与其成长过程，不存在晶格、晶界和晶格缺陷等，因而是一种结构非常均匀的材料。然而纳米晶体材料则是在此基础上取其工艺技术的时空，求得非晶态金属或合金在适当条件小生成需要的纳晶结构]14[。
3.2.6深度塑性变形法
深度塑性变形法是近年来发展起来的一种独特制备方法。是指材料在准静态压力作用下自身发生严重塑性变形，致材料的晶粒尺寸细化到亚微米或纳米级。
3.2.7有序自组装法
1.胶态晶体法：是利用胶体溶液的自组装特性，将纳米团族组装成超晶格，
可得到二维或三维有序地超晶格。
2.模板法：是利用纳米团族与组装模板间的识别作用带动团族的组装。可应用的模板有固体膜、单分子膜等。
3.2.8机械熔合法
该方法是在干燥的球型装料机内对粉末微粒重复进行熔接、断裂、再熔接的过程，任何一种材料经过足够时间的研磨都会得到纳米尺寸的晶粒。
4.纳米材料制备后续工艺
4.1纳米粉体的团聚与分散
纳米材料由于自身的独特结构所决定，处于晶粒表面上的原子与其内部的原子受力场有很大不同。晶粒内部的原子所受力来自四周相邻原子的对称价键力和靠近的原子远程范德华引力。其价键是饱和的，受力对称平衡。而处于表面上的原子受到的是来自其内部一侧相邻原子的非对称价键力和其他原子的远程范德华引力，受力是不平衡的，并且是价键不饱和，有与外界原子键合以求稳定的倾向，这便构成颗粒团聚的主要因素。引起物粒凝聚成团的原因很多，有关机理国内外学术界还在不断研究、探讨，目前已基本共识有以下几点]15
11
[，。
1.分子间力、氢键、静电作用等是通常引起颗粒特别是纳米粒子团聚的因素。
2.由于纳米粒子间的量子隧道效应、电荷转移、界面原子的相互耦合，从而使颗粒之间很容易通过界面发生相互作用和固相反应而团聚。
3.由于巨大的比表面积，在与空气或各种介质接触后，极易吸附气体、介质或与其作用，以至失去其原有的表面性质而导致粘连和团聚。
4.由于粒子表面能极高和大的接触界面，从而促使晶粒生长的速度加快，颗粒尺寸难于保持不变。
4.2 表面改性
表面改性对于纳米材料的制备来说，是至关重要的后续工艺，可显著改善或提高粉体的应用性能，以满足当今新材料、新技术的要求。表面改性工艺的作用：减轻颗粒团聚、提高分散性；防止晶粒生长；改善配伍性能等。
纳米粒子进行表面改性，主要是通过降低粒子的表面能态，消除粒子的表面电荷以及削弱粒子的表面极性等机理，达到工艺目的。一般对纳米粒子的表面改
性采取的方法：
1.表面覆盖改性。适当选择、利用表面活性剂。
2.表面包覆膜层改性。是在纳米粒子的表面均匀地包覆一层其他物质膜，使粒子表面性质发生变化。
3.局部活性改性。是利用化学反应在纳米粒子表面接枝带有不同官能基团的聚合物，使之具备新功能。
4.利用沉淀反应进行表面改性。这是采用有机物或无机物在纳米粒子表面沉淀一层包覆物，以改变粒子的表面性质。在上述方法中，比较简单和常用的方法是添加表面改性剂即分散剂、偶联剂等。分散剂能降低纳米粒子的表面能，而改善其作为填料的分散状态，但不能改善纳米粒子填料与基体材料的界面结合情况。偶联剂则可与基材有较强的相互作用。
4.3 超细粉碎
超细粉碎是机械粉碎与化学改性的综合效应。运用机械粉碎、摩擦等方法，利用机械应力作用对纳米粒子表面进行激活，以改变表面晶体结构和物理化学结构。这种方法使粒子晶格发生位错，内能增大，在外力的作用下，被激活的粒子表面与其他物质发生作用，附着，以达到表面改性目的。纳米粒子（粉体）材料，由于其结构的特性，粒度小、比表面积和表面能级大，量子态在主导，物粒处于表面高度非平衡状态，如果不进行表面化学改性并与超细粉碎后续处理相结合，那就很难将其添加到其他材料中去，这会影响到其应用研究和开发。尽管纳米材料有着诸多优异性能，但由于没有进行适当的表面改性和后续补充超细粉碎处理，致使无法应用。所以科研人员越来越多的都认识到纳米材料的制备、表面化学改性和超细粉碎三项技术的密不可分的配合工艺]16[。
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纳米材料的主要制备方法
本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级 2008级 姓名贾学伟 设计题目纳米材料的主要制备方法 指导教师闫海龙职称副教授 2012年4月28日 目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 引言 (1) 1.1纳米材料的定义 (1) 1.2纳米材料的研究意义 (2) 2 纳米材料的主要制备方法 (3) 2.1化学气相沉积法 (3) 2.2溶胶－凝胶法 (5) 2.3分子束外延法 (6) 2.4脉冲激光沉积法 (8) 2.5静电纺丝法 (9) 2.6磁控溅射法 (11) 2.7水热法 (12)
2.8其他制备纳米材料的方法 (13) 3 总结 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15)
纳米材料的主要制备方法 学生姓名：贾学伟学号： 学院：物理电子工程学院专业：物理学 指导教师：闫海龙职称：副教授摘要：纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍了纳米材料的制备方法,其中包括化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、水热法等。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋势。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展有重要作用。 关键词：纳米；纳米材料；纳米科技；制备方法 The preparation method of nanomaterials Abstract：Nanomaterials are attracting intense in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has been more and more mature. The preparation methods sush as, chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol-gel method are introduced in this paper. New development trend of preparation methods are analysed. N anomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science, and will have a great influenced on productive in the 21st century. Key words：nanometer；na nomaterials；nanotechnology；preparation 1 引言 1.1纳米材料的定义 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度[1]。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切，当小粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值[2]。
纳米材料应用特点
超细微粒、超细粉末，这些其实都是纳米材料的别称。它具有自己的一些性能特点，同时应用范围较广，例如生物医药、能源环保、化工等等行业。本文就给大家详细介绍一下。 一、应用 由于纳米颗粒粉体具有电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等性能，显著不同于通常颗粒，故其具有广泛的应用前景。经过多年探索研究，已经在物理、化学、材料、生物、医学、环境、塑料、造纸、建材、纺织等许多领域获得广泛应用。下面为大家例举几个纳米材料的应用实例。 （1）纳米材料的用途十分的广泛，比如目前在许多医药领域使用了纳米技术，这样能使药品生产非常的精细，它直接利用原子或者分子的排布制造一些有特殊功能的药品。由于纳米材料所使用的颗粒比较小，所以这种药品在人体内的传输是相当方便的，有些药品会采用多层纳米粒子包裹，这种智能药物到人体后可直接并攻击癌细胞或者对有损伤的组织进行修复。纳米技术也可以用来监测诊少量血液，通过对人体中的蛋白质的分析诊断出许多种疾病。 （2）在家电方面，选用那么材料制成的产品有许多的特性，如具有抗菌性、防腐抗紫外线防老化等的作用。在电子工业方面应用那么材料技术可以从扩大其
产品的存储容量，目前是普通材料上千倍级的储器芯片已经投入生产并广泛应用。在计算机方面的应用是可以把电脑缩小成为“掌上电脑”，使电脑使用起来更为方便。在环境保护领域未来将出现多功能纳米膜。这种纳米膜能够对化学或生物制剂造成的污染进行过滤，从而改善环境污染。在纺织工业方面通过在原始材料中添加纳米ZnO等复配粉体材料，再通过经抽丝、织布，然后能够制成除臭或抗紫外线辐射等特殊功能的服装，这些产品可以满足国防工业要求。 （3）纳米材料技术现在已广泛应用于遗传育种中，该技术能够结合转基因技术并且已经在培育新品种方面取得了很大的进展。这种技术是通过纳米手段将染色体分解为单个的基因，然后对它们进行组装，这种技术整合成的基因产品的成功率几乎可以达到100%。经过实践证明，科研人员能够让单个的基因分子链展现精细的结构，并可以通过具体的操纵其实现分子结构改变其性能，从而形成纳米图形，这样就能使人们可以在更小的世界范围内、更加深的一种层次上进行探索生命的秘密。 （4）纳米材料技术在发动机尾气处理方面的应用，目前有一种新型的纳米级净水剂有非常强的吸附能力，它是一般净水剂的20倍左右。纳米材料的过滤装置，还能有效的去除水中的一些细菌，使矿物质以及一些微量元素有效的保留下来，经过处理后的污水可以直接饮用。纳米材料技术的为解决大气污染方面的问题提供了新的途径。这种技术对空气中的污染物的净化的能力是其它技术所不可替代的。 二、特点 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的
(完整版)纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。
纳米材料的制备方法
1化学气相沉积法 1.1化学气相沉积法的原理 化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition (CVD) )是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。化学气相沉积方法实际上是化学反应方法，因此。用CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，而且即使是高熔点物质也可以在很低的温度下制备。 用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料、包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式，选择适当的制备条件——基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜构料。化学气相沉积的化学反应形式．主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。 化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。 化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别的碳源气体，如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米管；使用含钴催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管；过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钴合金相比较更容易制得单壁碳纳米管。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属铽与铁混合，可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而，包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T 等[5]讨论了以铁分散的二氧化硅为基体，乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生长机理，并提出了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等[6]提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳米管阵列的方法。该法以沸石为基体，以钴和钒为催化剂，仍是以乙炔气体为碳源。Pna Z W等[7]以乙炔为碳源，铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管阵列。 1.2评价 化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相沉积法缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。总之，随着纳米材料制备技术的不断完善，化学气相沉积法将会得到更广泛的应用。
纳米材料的特性及相关应用
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
纳米材料的制备方法及其研究进展
纳米材料的制备方法及其研究进展纳米材料的制备及其研究进展 摘要:综述了纳米材料的结构、性能及发展历史;介绍了纳米材料的制备方法及最新进展;概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景;讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。 关键词:纳米材料;结构与性能;制备技术;应用前景;研究进展 1 引言 纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，微粒具有壳层结构。由于微粒的表面层占很大比重，所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界面，晶界原子达15%-50%。 这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应，量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值，美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年纳米微粒的制备方法 1 纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。 1.1 物理方法 1.1.1 蒸发冷凝法
又称为物理气相沉积法，是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控;但技术设备要求高。根据加热源的不同有: (1)真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛(Ar,He)下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法，研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2 陶瓷材料。这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。特点:粒径可控，纯度较高，可制得粒径为5~10nm的微粒。但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。 (2)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子是利用高压气体雾化器将-20~-40OC的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流是以高频线圈为热源，使坩埚是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。特点:微粒纯度较高，粒度均匀，是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法，同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。但离子枪寿命短、功率小、热效率低。目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。 (6)电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材，成功地获 得了表面非常洁净的纳米微粒，母材一般选用该金属的氧化物，如用电子束照射 Al2O3 后，表层的Al-O 键被高能电子“切断”，蒸发的Al原子通过瞬间冷凝，形核、长大，形成Al的纳米微粒，但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳 米微粒。 1.1.2 物理粉碎法
磁性纳米材料的应用
磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 （一）生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素 -生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（ 1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。
纳米材料的一种制备方法
固液界面反应一水热晶化法制备二氧化锡纳米颗粒 一、简介 水热晶化法： 水热晶化法是合成无机纳米材料广泛采用的一种方法，装置简单，只需衬有聚四氟乙烯内胆的高压釜和加热设备(例如鼓风烘箱、油浴锅等)即可。在高温与溶剂自生高压的条件下，体系能够模拟自然界的成矿过程。水热晶化法的特点是适用范围广，可以用来制备各种金属氧化物、硫化物、磷酸盐等无机纳米材料。生产成本低，合成的材料纯度高，结晶度好。可以通过调节溶剂、物料配比、体系的pH值、有机添加剂等参数达到对粒径、形貌、结构的控制。 二氧化锡纳米材料的制备也常常运用水热晶化法。Chiu等人使用2-propanol 与蒸馏水作为混合溶剂，SnCl4?5H2O为锡源,在碱性条件下(pH=12)水热合成了3nm的SnO2纳米颗粒。Guo等人使用水热晶化法，通过调节SnCl4和NaOH的摩尔比，即体系的pH值，控制合成出空心微球、中空核-壳微球和纳米颗粒三种形态的二氧化锡。水热过程中，不同的结构导向剂也能控制二氧化锡的形貌结构。例如，Guo等人同样使用SnCl4玩为锡源，在CTAB模板剂的作用下，水热获得了棒状纳米二氧化锡。而Han等人换用环六亚甲基四胺作为结构导向剂，依旧使用SnCl4作为锡源，水热合成了核-壳结构的二氧化锡微球。Sun等人使用PVP(MW=30000)作为结构导向剂,并换用SnC12?2H2O作为锡源，双氧水预处理后，水热获得了蒲公英状二氧化锡。 在各种结构导向剂中，油酸分子由于能在颗粒表面选择性吸附，从而可以有效地引导各种结构的形成，并对纳米微粒起到稳定保护作用。 固液界面反应： 在纳米材料的制备过程中，通常会发生氧化、水解、沉淀等各种化学反应。利用在两相界面发生的化学反应来控制材料的合成引起了一定的关注。Kang等人利用水相与油相界面Sn2+的氧化反应制备出了不同粒径大小的二氧化锡纳米材料。由于水-油界面的存在，产物的结晶度比较高，尺寸分布也较窄。Deng等人使用PVP(MW=30000)作为保护试剂，乙二胺作为催化剂，过氧化氢作为氧化剂，室温下，利用单质锡块与水的界面发生的氧化反应，获得了由约3.8nm的纳米晶自组装形成的纳米球。纳米球的直径约为30nm，且具有良好的分散性。Wang 等人基于liquid-solid-solution(LSS)相转移原理合成了一系列纳米材料,其实也利用了界面间的化学反应。在这些利用界面反应控制纳米材料合成的文献中，有些纳米材料的制备其实也运用了水热晶化过程，综合利用了界面反应与水热晶化两者在材料控制合成方面的优势。 金属油酸盐是一种合成无机纳米材料比较理想的有机前驱物，它不能溶解于水或一些低碳醇(如乙醇)中，而会形成固液界面相。对于油酸锡而言，它又易发生水解反应。所以在本章中使用油酸锡作为锡源，利用固液界面反应-水热晶化过程来制备二氧化锡纳米材料。并且在油酸锡的水解过程中，可生成目前较受关注的油酸表面修饰结构导向剂。 二、实验步骤 所有原料均未作任何纯化处理，直接使用。首先，10mL去离子水中溶解
纳米材料的特性和应用
纳米材料的特性和应用 摘要本文简要介绍了纳米材料的分类及特性，并对纳米材料在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。关键词纳米材料；分类；特性；应用；发展 1 引言 有科学家预言, 在21 世纪纳米材料将是“最有前途的材料”, 纳米技术甚至会超过计算机和基因学, 成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992 年开始召开(两年一届) , 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010 年纳米技术市场为14 400 亿美元, 美国政府自2000 年 克林顿总统启动国家纳米计划以来, 已经为纳米技术投资了大约20 亿美元。同时, 欧盟在2002～2006 年期间将向纳米技术投资10 多亿美元。日本2002 年的纳米技术开支已经从1997 年的1. 20 亿美元提高到7. 50 亿美元。 2 纳米材料及其分类 纳米材料（nano- material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-100 nm 之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末（颗粒和原子团簇）、一维的纳米纤维（管）、二维的纳米膜、三维的纳米块体。 3 纳米材料的特性1 3.1 小尺寸效应 当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 使其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。如银的熔点约为900℃, 而纳米银粉熔点仅为100℃, 一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%。 3.2 表面效应 纳米晶粒表面原子数和总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质变化。纳米晶粒的减小, 导致其表面热、表面能及表面结合能都迅速增大, 致使它表现出很高的活性,如日本帝国化工公司生产的T iO2平均粒径为15 nm , 比
纳米材料的热学特性
纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和
纳米材料的制备与合成
纳米材料的合成与制备 (1) 摘要 (1) 关键词 (1) The synthesis and preparation of nanomaterials (1) Abstract (1) Keywords (1) 引言 (1) 1纳米材料的化学制备 (1) 1.1纳米粉体的湿化学法制备 (1) 1.2纳米粉体的化学气相法制备 (2) 1.2.1气体冷凝法 (2) 1.2.2溅射法 (2) 1.2.3真空蒸镀法 (2) 1.2.4等离子体方法 (3) 1.2.5激光诱导化学气相沉积法(LICVD) (3) 1.2.6爆炸丝方法 (3) 1.2.7燃烧合成法 (3) 1.3纳米薄膜的化学法制备 (4) 1.4纳米单相及复相材料的制备 (4) 2纳米材料的物理法制备 (5) 2.1纳米粉体(固体)的惰性气体冷凝法制备 (5) 2.2纳米粉体的高能机械球磨法制备 (5) 2.3纳米晶体非晶晶化方法制备 (6) 2.4深度塑性变形法制备纳米晶体 (6) 2.5纳米薄膜的低能团簇束沉积方法(LEBCD)制备 (6) 2.6纳米薄膜物理气相沉积技术 (6) 3纳米材料的应用展望 (7) 4 总结 (7) 参考文献 (8)
纳米材料的合成与制备 摘要本文综述了近年来在纳米材料合成与制备领域的一些最新研究进展，包括纳米粉体、块体及薄膜材料的物理与化学方法制备。从纳米材料合成和制备的角度出发,较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展,包括气相法,液相法及固相法合成与制备纳米材料;并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。 关键词纳米材料，合成，制备 The synthesis and preparation of nanomaterials Abstract This paper summarized the recent years in the field of nanometer material synthesis and preparation of some of the latest research progress, including nano powder, bulk and thin film materials preparation physical and chemical methods. From the perspective of nano material synthesis and preparation, systematically expounds the synthesis and the latest progress in the preparation of nanometer materials, including gas phase, liquid phase method and solid phase synthesis and preparation of nano materials; And introduces the application of nanomaterials in the field of high-tech prospects. Keywords nano materials, synthesis, preparation 引言 纳米材料是晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻低热导率等。正是因为纳米材料具有这些优良性能,因此纳米材料在今后一定有着广泛的应用。本文系统地阐述纳米材料的结构、性能、制备以及应用,以获得对纳料材料更为深刻和全面的理解。[1] 纳米材料的制备科学在当前纳米材料科学研究中占据极为重要的地位。新的材料制备工艺和过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响.纳米材料的合成与制备包括粉体、块体及薄膜材料的制备。 1纳米材料的化学制备 1.1纳米粉体的湿化学法制备 湿化学法制备工艺主要适用于纳米氧化物粉体,它具有无需高真空等苛刻物理条件、易放大的特点,并且得到的粉体性能比较优异。 上海硅酸盐所在采用共沉淀法、乳浊液法、水热法图等湿化学法制备氧化错
纳米材料的制备以及表征教学总结
纳米材料的制备以及表征 纳米科技作为21世纪的主导科学技术，将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命。纳米科技使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础。科学家们正致力于研究对纳米材料的组成、结构、形态、尺寸、排列等的控制，以制备符合各种预期功能的纳米材料。 低维纳米材料因其具有独特的物理化学特性以及在各个同领域的广泛应用 而受到国内外许多科研小组的广泛关注。钒氧化物纳米材料因为具有良好的催化性能、传感特性及电子传导特性而成为研究低维纳米材料物理化学现象的理想体系。尤其是对钒氧化合物纳米线、纳米带、纳米管的结构与性能的研究日益深入。另外，稀土正硼酸盐纳米材料因其独特的发光性能、电磁性能引起了广大科研小组的浓厚兴趣，是低维纳米材料领域研究的一个热点内容。 1.绪论 1.1纳米材料的发展概况 早在60年代，东京大学的久保良吾(Kubo)就提出了有名的“Kubo效应”， 认为金属超微粒子中的电子数较少，而不遵守Femri统计，并证实当结构单元变得比与其特性有关的临界长度还小时，其特性就会发生相应的变化。70年代末80年代初，随着干净的超微粒子的制取及研究，“Kubo效应”理论日趋完善， 为日后纳米技术理论研究打下了基础。人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属微粒费密面附近电子能级状态的久保理论日趋完善，并且用量子尺寸效应成功地解释了超微粒子的某些特性[3]。最早使用纳米颗粒 制备三维块体试样的是德国萨尔兰大学教授H.Gletier，他于1984年用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面的纳米晶Pd、cu、Fe等[4]，并从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶材料的概念，成为纳米材料的创始者。1987年美国Argon实验室sigeel博士课题组用相同方法制备了纳米陶 瓷TIOZ多晶体。纳米技术在80年代末和90年代初得到了长足发展，并逐步成为一个纳米技术体系。1990年7月，第一届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩 召开，标志着纳米科学技术的正式诞生;正式提出了纳米材料学、纳米生物学、
纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法 一、前言 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代，英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时，其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来，一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。 应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。 纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 二、纳米材料的制备方法 （一）、机械法 机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部
纳米材料制备方法
纳米微粒制备方法研究进展 刘伟 （湘潭大学材料科学与工程学院，13材料二班，2013701025） 摘要:纳米微粒一般是指粒径在1nm到100nm之间,处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子,或聚集数从十到几百范围的物质。纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特点，因而有许多与传统的晶体和非晶体不同的独特性质，也与组成它们的分子或原子差异很大，在材料学、物理学、化学、催化、环境保护、生物医学等领域具有十分广阔的应用前景。本文综述目前纳米微粒的主要的制备方法, 比较和评述了每种方法的特点,以期这一新材料能得以更为深入地研究和更广泛地应用。 关键词:纳米微粒；制备；方法 1.引言 纳米微粒的制备方法从物料的状态来分，可归纳为固相法、液相法、气相法3大类；从物料是否发生化学反应而分为物理法、化学法及近年迅速发展的模板合成法、仿生法等；随着科技的不断发展及对不同物理、化学特性超微粒子的需求，又派生出许多新的技术，下面就着重介绍固相法、液相法和气相法。 2.固相法 固相法是一种传统的粉化工艺，具有成本低、产量高、制备工艺简单的优点。固相法分为固相机械粉碎法和固相反应法。固相机械粉碎法借用诸如搅拌磨、球磨机、气流磨、塔式粉碎机等多种粉碎机，利用介质和物料之间的相互研磨和冲击的原理，使物料粉碎，常用来制备微米级粒径的粉体颗粒。此法存在能耗大、颗粒粒径分布不均匀、易混入杂质、颗粒外貌不规则等缺点，因而较少用以制备纳米微粒。固相反应法是将固体反应物研细后直接混合，在研磨等机械作用下发生化学反应，然后通过后处理得到需要的纳米微粒。该方法一般要加入适量表面活性剂，所以有时也称湿固相反应。该方法具有工艺简单、产率高、颗粒粒子稳定化好、易操作等优点，尤其是可减少或避免液相中易团聚的现象。[4] 3.液相法 液相法是目前实验室和工业生产中较为广泛采用的方法。通常是让溶液中的不同分子或离子进行反应，产生固体产物。产物可以是单组分的沉淀，也可以是多组分的共沉淀。其涉及的反应也是多种多样的，常见的有:复分散反应、水解反应、还原反应、络合反应、聚合反应等。适当控制反应物的浓度、反应温度和搅拌速度，就能使固体产物的颗粒尺寸达到纳米级。液相法具有设备简单、原料易得、产物纯度高、化学组成可准确控制等优点。下面主要介绍其中的沉淀法和微乳液法。 3.1 沉淀法 沉淀法是液相法制备金属氧化物纳米微粒最早采用的方法。沉淀法基本过程是：可溶性化合物经沉淀或水解作用形成不溶性氢氧化物、水合氧化物或盐类而析出，经过滤、洗涤、煅烧得到纳米微粒粉末。沉淀法又分为均相沉淀法和共沉淀法。沉淀法工艺简单、成本低、反应时间短、反应温度低，易于实现工业化生产。但是，沉淀物通常为胶状物，水洗、过滤较困难；所制备的纳米微粒易发生团聚，难于制备粒径小的纳米微粒。沉淀剂容易作为杂质混入产物之中。此外，还由于大量金属不容易发生沉淀反应，因而这种方法适用面较窄。[3]
纳米材料的制备与性质
纳米材料的制备与性质 杨旭 应化一班 学号05 1摘要 今天，世界各国的科学家都不约而同地把目光投向一种完全新型的材料——纳米材料，并且预言，纳米材料的应用标志着人类的科学技术已经进入了一个新时代。那么究竟是什么让小小的纳米材料进入世界上众多科学家的眼中呢？我想纳米材料的性质无疑起了重大的作用，首先它们十分细小，也因此拥有了巨大的比表面积，这点是任何催化剂材料所不能比拟的；其次它的性质也较其他材料更加的特殊，因为上述的两项原因，纳米材料更加让世界的科学家为止倾倒。 对于纳米材料，首先顾名思义是因为其尺寸的原因称之为纳米材料，然而它在各个方面的表现让我们不能忽视着小小的纳米材料，正如人不可貌相，海水不可斗量一样，一切的原因还是要从其不同于别的材料的性质开始讲起。 2正文 2.1纳米材料的性质 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具
有金属特性，室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上，在X射线照射下具有光电导性能, 利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。 复合氧化物一维和零维单晶纳米材料稀土纳米材料 2.1.1 体积效应 体积效应又称小尺寸效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的de Broglle波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学性质、催化性等于普通粒子相比都有很大变化，这就是纳米粒子的体积效应，该效应大大扩充了纳米材料的物理、化学特性范围，为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域。 2.1.2表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒长变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。也就是随着粒径的变小，纳米粒子表面原子所占的比例急剧增大。纳米晶粒减小的结果，导致其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，具有不饱和性质、致使它表现出很高的活性。 2.1.3量子尺寸效应 量子尺寸效应指的是微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱闭值向短波方向移动的现象。纳米材料中处于分立的量子化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，如强氧化性和还原性、特异性催化和光催化性质等。