第6章 纳米材料

2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起 颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏 观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒 而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加， 从而产生如下一系列新奇的性质。 （1） 特殊的光学性质 （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4）特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电 性能、声学特性以及化学性能等方面。
3. 特殊的磁学性质
鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水 中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗 粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向， 具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个 生物磁罗盘 ，生活在水中的趋磁细菌依靠它游 向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表 明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2×10-2 微米的磁性氧化物颗粒。
1990年美国国际商业机 器公司（IBM）的艾格勒 在镍金属（110）表面用 35个氙原子排出“IBM”字 样。
1993年中国科学院北京 真空物理实验室操纵原 子写出“中国”二字。标 志着我国开始在国际纳 米科技领域占有一席之 地。
1991年，日本科学家饭 岛澄男发现碳纳米管， 它的质量只有同体积钢 的1／6，强度却是钢的 100倍。用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月 球上挂到地球表面，而 不被自身重量所拉断的 绳索 。
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达 到500亿美元。 各国研究情况： 日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计 划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米 计划视为下一次工业革命的核心；美国政府部门将纳米科技 基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的 4.97亿美元；我国在80年代末，也把纳米技术列入国家“攀登 计划 ” 和国家“重大攻关项目”，并委托科学院等一些研究机构、 大专院校通过召开纳米技术专门会议，制定计划、部署方案、 调拨资金等大规模进行纳米技术研制工作。 （接论文材料）
Human hair ~ 8 x 10-5 m
Red Blood Cell 7x10-6 m by 10x10-6 m
Carbon Atom
Carbon Atom
Virus (Length) ~9 x 10-7 m
CdSe Nanocrystal ~3 x 10-9 m
Carbon-Carbon Bond Length ~1.5 x 10-10 m
三、纳米结构 莲花荷叶出污泥而不染: “荷叶效应” （自清 洁）
人造制品在模仿 荷花的自清洁效应
瑞士开发 新型纳米 布料 永远 不会被雨 淋湿 20081126
用纳米技术制造的防水布料
水珠以球 形呆在布 料上面。 只要水平 倾斜2 度，水珠 就会 像球 一样滚落 下来
四、 纳米材料的分类
二、纳米材料的奇异性能
什么是纳米？ 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。 纳米结构？ 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1100 nm）的微小结构。 纳米技术？ 在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的 技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用 单个原子、分子制造物质的科学技术。
Metric System
exapetateragigamegakilometer decicentimillimicronanopicofemtoattoEm Pm Tm Gm Mm km m dm cm mm μm nm pm fm am
1018 1015 1012 109 106 103 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
2. 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。 例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减 小到 10 纳米尺寸时，则降低 27 ℃， 2 纳米尺 寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为 670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。
物体的表面积与体积之比称为比表面积，这个数据 对纳米材料的性质具有重要影响。 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，故其比表面积与直径成反比。 随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明 表面原子所占的百分比将会显著增加。例如，直径 大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，而当尺寸 小于 0.1微米时，其表面原子百分比急剧增长。甚至 1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时 的表面效应不能忽略。
quintillion quadrillion trillion billion million thousand one tenth hundredth thousandth millionth billionth trillionth quadrillionth quintillionth
What is Nano ?
In Greek, “nano” means dwarf Really really really small!!! 1 nanometer (nm) = 10-9 m
St Nano
Nanoscale generally refers to the size scale of 1 – 100 nm.
纳米材料的特殊性能是由于纳米材 料的特殊结构，使之产生四大效应，即 小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧 道效应）、表面效应和界面效应，从而 具有传统材料所不具备的物理、化学性 能。由于纳米材料在磁、热、光、电、 催化、生物等方面具有奇异的特性，使 其在诸多领域有着非常广泛的应用前 景，并已经成为当今世界科技前沿的热 点之一。
久保理论：就是体积效应的典型例子。 相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的 直径d的关系为： δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3 其中 N为一个金属纳米粒子的总导电电子 数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增 大，电子移动困难，电阻率增大，从而使 能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。
1991年，碳纳米管被人 类发现，诺贝尔化学奖 得主斯莫利教授认为， 纳米碳管将是未来最佳 纤维的首选材料，也将 被广泛用于超微导线、 超微开关以及纳米级电 子线路等。
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电 子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和 存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验 时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分 之一克的物体，即相当于—个病毒的重量；此后 不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的 秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
Raffles City Height 2.8 x 102 m
Apatosaurus Length 2.1 x 101 m
莱佛士城
Sizes of Objects
Housefly ~7.5 x 10–3 m African Elephant Height ~ 3.3 m Rabbit (Length) ~ 3 x 10-1 m
四大效应
小尺寸效应 量子效应表面效应 宏观量子隧 道效应
纳米材料的奇异性能
纳米材料的特殊效应
一、表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子 的表面原子数与总原子数之比随粒 径的变小而急剧增大后所引起的性 质上的变化。如下图所示：
粒径与表面原子数的关系
粒径在 10 nm 以下，将迅速增加表面原 子的比例。当粒径降到1nm时，表面 原子数比例达到约90%以上，原子几 乎全部集中到纳米粒子的表面。由于 纳米粒子表面原子数增多，表面原子 配位数不足和高的表面能，使这些原 子易与其它原子相结合而稳定下来， 故具有很高的化学活性。
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词 描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳 米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次 在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极 促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技 术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技 术的正式诞生
1. 特殊的光学性质
当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，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬 变成铬黑。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于 1 ％，大约几微米的厚度就能完全消光。 利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转 换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电 能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐 身技术等。
Atom ~10-10 m Nucleus ~ 10-14 m
一、纳米科技诞生及发展
1959年，著名物理学家理查德·费曼 （Richard Phillips Feynman ）设想：有 一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排 列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。 这是关于纳米技术最早的梦想。
原子排成的“原子” 字样
第6章 纳米材料
sangyan College of Chemistry and Materials Science Anhui Normal University, Wuhu 241000 sangyan@
主要内容
纳米和纳米科技的概念 纳米材料的奇异性能 纳米技术潜在应用
6.1、 纳米材料概述 一、纳米和纳米科技的概念
Sizes of Objects
Andromeda Galaxy 1022m
Solar System 1.2 x 1013 m
Sun 1.4 x 109 m
Earth 1.2 x 107 m
Singapore 4.2 x 104 m by 2.3 x 104 m Mount Everest Height 8.9 x 103 m
http://lmn.web.psi.ch/n anoworl.htm