第二章 纳米材料结构与物理化学特性
第二章纳米材料的性能
第二章纳米材料的性能纳米材料是一种具有尺寸在纳米尺度范围内的材料，其特点是在这个尺度下呈现出独特的性能。
纳米材料的性能主要包括物理性能、化学性能和生物性能三个方面。
首先，纳米材料的物理性能具有独特性。
由于其尺寸相对较小，具有较大的比表面积和较高的界面能量，使得纳米材料具有特殊的力学、光学、热学和电学性能。
例如，纳米颗粒具有较大的表面积，能够吸附更多分子，具有优异的催化性能和吸附性能；纳米线和纳米管具有高比表面积和纳米尺度的通道结构，具有优异的电导性和热导性；纳米表面增强拉曼光谱（SERS）在检测分子级别上具有很高的灵敏度和选择性。
其次，纳米材料的化学性能也是独特的。
纳米材料由于表面、界面和缺陷的存在，与周围环境的相互作用更加密切。
纳米颗粒的化学反应活性通常比大尺寸的材料更高。
此外，纳米材料表面容易形成肖特基界面，这种肖特基界面在催化和电子传输方面具有重要作用。
纳米材料还可以通过表面修饰来调控其化学性质，例如通过选择性添加活性基团或改变表面结构来提高材料的催化性能。
最后，纳米材料的生物性能也有着独特的特点。
纳米材料与生物体相互作用时，由于其尺寸与生物体组织尺寸相近，因此纳米材料能够更容易地进入细胞，实现细胞内的探测、成像和治疗。
纳米材料具有生物相容性和生物可降解性，不仅可以用于制备生物传感器、药物递送系统，还可以用于体内和体外诊断以及组织工程方面的研究。
总之，纳米材料的性能在很大程度上取决于其尺寸和表面特性。
纳米材料具有特异的物理性能、化学性能和生物性能，可以应用于多个领域，如催化、能源、传感、生物医学等。
因此，研究和开发纳米材料已经成为当今科学研究中的一个热点领域。
随着对纳米材料性能的进一步理解和掌握，纳米材料的应用前景将更加广阔。
第二章纳米材料的理化特性
X
RT Z N 0 3 r
X为粒子的平均位移，Z为观察的时间间隔，为介质的粘滞系数，r 为粒子半径，N0为阿伏加德罗常数。 布朗运动会稳定胶体溶液，也可能因粒子碰撞而团聚。
（2）扩散 由于胶体粒子有布朗运动，在有浓差的情况下，会发生从高浓度向低 浓度处的扩散。胶体微粒比普通分子大得多，因此扩散速度慢得多。 其扩散依然遵守菲克定律。
红移现象
某些情况下纳米微粒光吸收带会出现红移现象。
光吸收带位置的移动由影响峰位的蓝移因素和红移 因素共同作用的结果。 随着粒径的减小，量子尺寸效应导致蓝移，但随着 粒径的减小，颗粒内部的内应力会增加，导致能带 结构变化，电子波函数重叠，能带能隙间距变窄， 出现红移。
>10nm
（3）量子限域效应 当纳米微粒的尺寸小到一 定值时，电子的平均自由 程受限，容易和空穴结合 形成激子，产生激子吸收 带并蓝移，即量子限域效 应。
光催化活性取决于导带与价带的氧化－还原电位，价带的氧 化－还原电位越正，导带的氧化－还原电位越负，则光生电 子和空穴的氧化及还原能力越强。
目前多用宽禁带的n型半导体氧化物，如TiO2、ZnO、CdS、 WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、In2O3、ZnS、SrTiO3、SiO2 等 。 TiO2稳定耐腐蚀，低价无毒，最有潜力。
dm dc DA dt cx
式中，dm/dt为流量，即单位时间通过某截面的量，D为扩散系数，A为 面积，dc/cx为浓度梯度。扩散系数D与粒子半径r，介质黏度η ，和温 度T的关系由爱因斯坦(Einstein)公式表示
扩散系数D与粒子半径r，介质黏度η，和温度T的关系由爱因斯坦 (Einstein)公式表示
1.热学性能
Kronski计算出Au微粒 的粒径与熔点的关系， 结果如图所示。由图看 出，当粒径小于10nm 时，熔点急剧下降。
纳米材料的物理和化学性质
纳米材料的物理和化学性质是当今材料科学和纳米技术研究的重要领域，也是新材料开发和科技进步的重要方向。
纳米材料在物理、化学和生物学等多个领域有着广泛的应用，包括电子学、光电子学、能源材料、生物医学、环境治理、汽车、航空等等。
本文将从纳米材料的定义、物理化学性质、制备方法和应用等方面进行论述。
一、纳米材料的定义纳米材料指的是尺寸在纳米级别(1纳米=10^-9米)的材料，其尺寸通常在1-100纳米之间。
由于其尺寸非常小，因此纳米材料具有许多普通材料所不具备的独特性质。
二、纳米材料的物理化学性质1.尺寸效应由于纳米材料具有微小的尺寸，导致其物理化学性质发生了明显的尺寸效应。
例如，相同材料的纳米颗粒比其体积大的颗粒具有更高的比表面积和更短的扩散距离，从而影响其化学反应、光学和磁学等性质。
2.量子效应当尺寸小于或等于一定的大小时，纳米材料就会表现出现量子效应。
量子效应是一种量子物理现象，其最重要的表现之一是材料中只有离散的能级，不同的粒子之间出现量子隧道效应。
在纳米材料中，电子和光子表现出来的量子效应会对光电学、磁学和电学性质产生明显影响。
3.表面效应由于纳米材料具有高于其体积大的材料更大的表面积，使其表面反应速率增加，表面原子费米能级上升，更易于表面和物质之间的反应。
三、纳米材料的制备方法制备纳米材料的方法有很多种，例如：化学合成法、物理气相法、凝胶法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、电子束物理沉积法、熔滴工艺等。
其中，化学合成法是应用最广泛的制备方法之一。
四、纳米材料的应用由于纳米材料具有优异的物理化学性质，因此在科学领域和工业应用中有着广泛的应用前景。
1.电子学和光电子学领域纳米材料在电子学和光电子学领域应用广泛，尤其是在显示技术、半导体和光电器件、光电子计算机、传感器、激光等应用中。
2.生物医学领域纳米材料在生物医学领域中也有广泛的应用，例如用于抗肿瘤、抗癌、功能分子探测和药物递送等等。
3.环境治理领域纳米材料在环境治理领域中的应用更为多样，包括净水、空气净化、污水处理、土壤修复、油污清洗等等。
纳米结构和纳米材料 第2章 纳米微粒的结构与物理和化学特性
超顺磁状态的起源可归为以下原 因：在小尺寸下，当各向异性能减小到
与热运动能可相比拟时，磁化方向就不 再固定在一个易磁化方向，易磁化方向 作无规律的变，结果导致超顺磁性的 出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超 顺磁的临界尺寸是不同的。
（2） 矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通 常呈现高的矫顽力Hc
金纳米颗粒的粒径与熔点的关系
烧结温度－粉末高压成型后，在低于熔点的温 度下使粉末成块，密度接近于常规材料的最低 加热温度。
纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的 界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为运 动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位 团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达 到致密化的目的，即烧结温度降低。
（4） 磁化率
纳米金属的磁化率是常规金属的20倍。
（5） 比饱和磁化强度
纳米金属Fe（8nm）饱和磁化强度比常规 α- Fe低40％，纳米Fe的比饱和磁化强度 随着粒径的减小而下降。
室温比饱和磁化强度σs与平均 粒径 d 的关系（Fe）
3） 光学性能
纳米粒子的一个重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径 与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗 意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著。与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响。
铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径 和温度的关系
（3） 居里温度
居里温度Tc是物质磁性的重要参数。 实验表明：随着铁磁薄膜厚度的减小， 居里温度下降，对于纳米微粒，由于小 尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的 本征和内禀的磁性变化，因此具有较低 的居里温度。
纳米材料的物理与化学特性
纳米材料的物理与化学特性随着科技的发展，人们在材料领域也不断探索创新，其中纳米材料已成为研究的热点。
纳米材料的物理和化学特性与传统的宏观材料有很大的不同，本文将对纳米材料的这些特性进行介绍。
一、纳米材料的物理特性1.尺寸效应纳米材料的尺寸一般在1-100纳米之间，相比传统的宏观材料来说，尺寸更小，因此表现出了很多独特的物理特性。
其中，最重要的一个特性便是尺寸效应。
尺寸效应是指在纳米尺度下，材料的物理性质与其尺寸变化密切相关。
由于其尺寸非常小，纳米颗粒表面原子数目相对较少，而表面原子具有更高的自由能，因此，表面的原子比体内的原子更容易移动或反应。
而导致了纳米材料表面的原子结构、比表面积以及空孔的数量都和其尺寸有关。
2.热力学不稳定性纳米材料热力学不稳定性对其物理特性的影响也非常大。
由于经典热力学和统计力学适用于传统的宏观材料，而在纳米尺度下，统计力学原理的适用性、“基于热力”的化学反应以及传热的微观机制等等，构成了一个非常有趣的热学现象。
例如，纳米颗粒的活化能相对较低，因此具有随着温度的升高呈指数增加的快速催化活性。
由于温度的提高会加速原子或分子的反应，使得纳米材料的热力学不稳定性增强，从而使表现出更多在宏观尺度下不可观察到的化学反应特性。
3.光学性质纳米材料由于其尺寸小的特性，导致了纳米材料的光学性质也与传统材料存在很大的差异。
纳米材料可以通过调节其尺寸、形状、组成以及环境等多种方式来控制其光学特性，产生颜色和与光的交互作用的其他物理效应。
二、纳米材料的化学特性1.反应活性与宏观材料相比，纳米材料的反应活性要高得多。
由于纳米材料表面具有更多的原子或离子，导致表面的能量密度更高，活性更强。
这就是为什么纳米材料能够催化许多反应的原因。
此外，纳米材料也具备更大的表面积和更多的结构缺陷，这些缺陷也会增强其反应活性。
2.氧化还原性纳米材料的氧化还原性也具有很大的特点。
由于纳米颗粒的尺寸很小，电子效应也随之发生变化，致使纳米颗粒发生氧化还原反应时，其反应速率相比宏观物质将大大增强。
深入理解纳米结构的物理化学性质
深入理解纳米结构的物理化学性质深入理解纳米结构的物理化学性质纳米科技是当今科学领域的热点之一，其在材料科学、化学、物理学和生物学等领域都有着广泛的应用。
纳米材料具有与其宏观材料相比独特的物理化学性质，这使得我们需要深入理解纳米结构的特性和行为。
首先，纳米结构的物理化学性质受到尺寸效应的显著影响。
尺寸效应是指当材料尺寸减小到纳米级别时，由于表面积增大和体积减小，导致材料的性质发生变化。
例如，纳米颗粒的表面积相对于体积更大，导致表面原子和分子与外界环境发生更多的相互作用，使得纳米颗粒的表面活性增强。
此外，量子效应也是纳米材料独特的性质之一。
在纳米尺度下，由于量子限制效应，电子和光子行为发生变化，使得纳米材料的光学、电学和磁学性质呈现出与宏观材料截然不同的特征。
其次，纳米结构的物理化学性质还受到表面效应的影响。
纳米材料的表面与体积相比更多，表面原子和分子之间的相互作用和能量传递更加显著。
由于表面能的存在，纳米颗粒表面的原子和分子会呈现出与内部不同的物理化学性质。
例如，纳米颗粒的表面活性位点可以增强催化活性，使得纳米材料在催化反应中表现出优越的性能。
此外，表面效应还可以改变纳米材料的热稳定性、光学吸收性能等。
第三，纳米结构的物理化学性质还受到形貌效应的影响。
纳米材料可以具有不同的形貌，如纳米颗粒、纳米线、纳米片等。
这些不同形貌的纳米结构具有不同的物理化学性质。
例如，纳米线具有高比表面积和低阻抗，适合用于传感器和电子器件。
而纳米片则具有良好的光学性能，适用于光学器件和光伏电池。
最后，纳米结构的物理化学性质还可以通过纳米材料的制备方法进行调控。
纳米材料的制备方法具有多样性，如热力学法、溶液法、气相法等。
不同的制备方法可以得到具有不同物理化学性质的纳米材料。
通过合理选择制备方法、控制反应条件和调节制备参数，可以精确控制纳米材料的物理化学性质，实现对其性能的定向调控。
综上所述，深入理解纳米结构的物理化学性质对于纳米科技的发展和应用至关重要。
纳米材料基本概念与性质
纳米薄膜与纳米涂层
这种薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可 以分为两类： （1）含有纳米颗粒和原子团簇的薄膜—基质 薄膜； （2）纳米尺度厚度的薄膜，其厚度接近电子 自由程。 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 用它制作的集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米固体材料
纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 简单的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014～1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物．
一元原子团簇包括金属团簇 ( 加 Nan ， Nin
等)和非金属团簇．非金属团簇可分为碳 簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si 簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以 配位化学键结合形成的化合物
原子团簇
原子团簇是指几个或几百个原子的聚集体（直 径小于1 nm）。它是介于单个原子与固态之间 的原子集合体。 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未 形成规整的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线状、 层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。
当前能大量制备并分离的团簇是 C60(富勒烯) (富勒烯)
纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺度为纳米量级的超微 颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微 粉，一般在1—100 nm之间。只能用高倍电子 显微镜能观察到，所以有人称用电子显微镜能 观察到的微粒为纳米颗粒。
纳米材料的基本效应及其物理化学性质PPT课件
量子尺寸效应
量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米 能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变 宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能 的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导 特性与常规材料有显著的不同。
纳米材料中电子能级分布和块体材料中电子能级分布存在 显著的不同。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形 成一个个的晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带， 在热扰动下，金属晶体中电子可以在导带各能级中较自 由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。 在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在 这一维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中， 电子能级由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。
利用库仑阻塞效应可以实 现单电子隧穿过程。
E e（ e Q） C2
（负号流进，正好流出）
a. │Q│< e/2
b. Q > e/2; Q < -e/2
-
-
库仑岛
I R
v
第16页/共26页
量子隧穿效应
应用实例：扫描隧道显微镜 利用电子隧穿效应，如果两电极相距很近，并在其间加上
微小电压，则探针所在的位置便有隧穿电流产生。利用 探针与样品表面的间距和隧穿电流有十分灵敏的关系， 当探针以设定的高度扫描样品表面时，样品表面的形貌 导致探针和样品表面的间距变化，隧穿电流值也随之改 变。籍探针在样品表面上来回扫描，并记录在每个位置 点上的隧穿电流值，便可得知样品表面原子排列情况。
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小尺寸效应
特殊的应用价值？
超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的 基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料；采用 超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又 具高质量。
纳米材料的结构与物理化学性质
纳米材料的结构与物理化学性质随着科技的进步和人们对于材料性能的不断追求，纳米材料作为一种特殊的材料一直备受关注。
纳米材料指的是尺寸在1到100纳米之间的材料，其尺寸与普通材料相比具有特殊的物理化学性质，因此在各个领域得到了广泛的应用。
而这些特殊性质的实现，与纳米材料的结构密切相关。
本文将重点讨论纳米材料的结构与物理化学性质的关系。
一、纳米材料的结构纳米材料的结构通常可以分为单晶、多晶和非晶三种。
单晶指的是由一个完整的晶体构成的纳米材料，其具有最完美的结晶结构。
而多晶则由多个不同晶向的晶体组合而成，其晶界是纳米材料的性能调控关键之一。
非晶表示纳米颗粒中原子结构的无序分布，这种结构不断实现着谷贵川所说的“尽量让原子挤在一起”，具有较好的应变容忍度和塑性形变。
这三种结构各自具有不同的物理化学性质，因此纳米材料的物性和结构密不可分。
除了晶结构外，纳米材料的形态也对其性质产生了影响。
例如球形纳米颗粒由于表面积大，因此具有更高的比表面积和更易于表面反应的特性。
纳米线、纳米棒等纳米材料具有量子尺寸效应，使得其在电学、磁学、光学等方面表现出独特的物理性质。
纳米材料的结构由其成分、制备方法和后处理等多种因素共同决定。
因此，在制备纳米材料时，需要选择合适的制备方法，并进行合适的后处理以调控纳米材料的结构，从而实现期望的物理化学性质。
二、纳米材料的物理化学性质纳米材料的物理化学性质是指在其尺寸范围内所表现出来的独特性质，包括量子效应、表面效应、劣化效应等。
下面将从几个方面对其进行分析。
1. 量子效应量子效应是指在纳米材料中，由于其尺寸的限制，量子力学效应与经典力学效应相互作用而引起的一系列物理现象。
纳米材料由于尺寸的限制而使得电子运动变得受限，使其结构、光电性质及相变过程等都产生了独特的变化。
量子效应基本上影响了纳米颗粒的所有物理化学性质。
例如，在纳米尺度下，普朗克常数极大地影响了自由电子的动量，从而改变了晶体缺陷、热容量、热导率等热力学性质。
纳米材料的物理和化学特性
纳米材料的物理和化学特性纳米材料是一种尺寸在1~100纳米之间的物质，具有比宏观物体更特殊的物理和化学特性。
与普通材料相比，纳米材料的表面积更大，颗粒间距较小，因此具有更高的化学反应活性和更快的反应速率。
此外，纳米材料的电子结构、热力学性质、磁性、光学特性等方面也与普通材料不同，使其具有很广泛的应用前景。
一、纳米材料的电子结构纳米材料的尺寸处于量子范围之内，因此其电子结构将受到量子尺寸效应的影响。
由于电子在纳米材料中的能量状态是量子化的，因此它们只能占据在量子态。
这使得纳米材料有很多电子态，比普通材料更复杂。
纳米材料的电子结构对其性质有很大影响，特别是对催化剂、光学材料和电子材料的性能有很大的影响。
二、纳米材料的热力学性质热力学是描述物质的热学性质的科学，包括温度、压力和热量等方面。
纳米材料的尺寸在量子尺度之内，具有特殊的热力学性质。
纳米材料的比表面积较大，导致其更容易与周围环境相互作用，因此具有更高的热力学活性。
这使得纳米材料经常用于催化剂和化学催化反应等方面。
三、纳米材料的磁性纳米材料具有在宏观材料中不会出现的磁性质。
由于磁性是由电子的自旋引起的，因此纳米材料的电子结构将影响其磁性质。
在某些情况下，纳米材料的磁性质可以被调节，例如通过改变其尺寸和组成等因素，因此具有广泛的应用前景。
四、纳米材料的光学特性纳米材料具有比宏观材料更特殊的光学特性，因为纳米材料的电子能够在可见光和紫外光范围内吸收和放射光能，因此可以产生很多特殊的光学效应，例如荧光、散射和吸收特性。
此外，纳米材料的颜色也会随着其尺寸和形态的改变而发生变化。
总之，纳米材料具有很多独特的物理和化学特性，这些特性是由其尺寸、形态和电子结构等因素所决定的。
由于这些特性，纳米材料在磁性材料、光学材料、电子材料和催化剂等领域中具有广泛的应用前景。
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• 吸收光谱的红移现象的原因
• 由于表面或界面效应，引起纳米微粒的 表面张力增大，使发光粒子所处的环境 变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所 引起的。
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• (4) 纳米微粒的发光
• 光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高能级激 发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘获而发射出光 子的现象。
• 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 • 通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射跃迁过
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Field emission property improvement of ZnO nanowires coated with amorphous carbon and carbon nitride films Nanotechnology 16 (2005) 985–989
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5. 纳米孔材料（孔径为纳米级）
• MCM-41; SBA-16; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
MCM-41
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• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
晶粒尺寸在纳米尺度（1～100 nm）范围的块状材料。
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SBA-16
6, 9, 20, 26 nm
• 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度 在纳米尺度范围内。尺寸
• 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。
• 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能
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§2.2 纳米微粒的物理特性
• 纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、 表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，
• 从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶 都具有这种效应。
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• (1)熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多。
“真金手为握何金也汤怕火炼”
• 大块铅的熔点327 ℃ ，20 nm 纳米Pb 39 ℃. • 纳米铜(40 nm)的熔点，由1053℃(体相)变为
750℃。 • 块状金熔点 1064 ℃，10 nm时1037 ℃；2 nm
束的材料体系，即电子在三个维度上的能量 都是量子化的。也叫零维量子点。
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• 因为纳米单元往往具有量子性质，所以 对零维、一维和二维的基本单元分别又 有量子点、量子线和量子阱之称。
量子阱 2－D
• 量子阱：
• 是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上 可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受 到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电 子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟 或更小。有时也称为二维超晶格。
这位退役飞行员表示，为了匿踪，直升机的挡风玻璃必须有特殊涂料， 会影响飞行员的视线。尤其这次在夜间执行任务，飞行员戴着夜视镜， 负担尤其沉重。
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为什么士兵突击中一个鸡蛋就暴露了阵地位置呢?
45
• (2)蓝移和红移现象 • A 蓝移 • 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在
“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 • 例如： • 纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率
金属纳米颗粒在空气中自燃
视40屏
• §2.2.2 光学性能
• (1)宽频带强吸收
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去 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。
41
• 光与物质相互作用，除吸收 外，还有散射作用，微粒对 光波的散射与波长的四次方 成反比，因此天空成蓝色。
这个碳纳米球的形状和大小使它能够很好地与被艾滋病毒感
染过的细胞结合，从而把相应的药物传达至被感染的细胞。
有关药物在动物试验中已经取得良好效果，一旦获得有关部
门批准，马上就进行人体试验。
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纳米储能材料（举例）
能储氢的纳米碳管（储氢率10％，按重量）
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纳米材料与传统材料的主要差别：
• 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数 量级上。
程发射声子，此时不发光。 • 而只有当能级间距较大时，才有可能实现辐射跃迁，
发射光子。
E2
自发辐射
能级跃迁
E1
E2 E1/ h
51
• 当纳米微粒的尺寸小到 一定值时可在一定波长 的光激发下发光。
• 1990年。日本佳能研究 中心的Tabagi等发现，粒 径小于6nm的硅在室温下 可以发射可见光。
相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移 向长波长。 • 例如，在200~1400nm波长范围，单晶NiO呈现 八个光吸收带。蜂位分别为3.52，3.25．2.95， 2.75，2.15，1.95，1.75和1.13 eV， • 纳米NiO(粒径在54~84nm范围)不出现3.52eV的 吸收带，其他7个带的蜂位分别为3.30，2.99， 2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV， • 很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发 生蓝移，后3个光吸收带发生红移。
• 一、量子尺寸效应 • 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸
收带移向短波方向。 • Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：
已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子 轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减小 而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种解 释对半导体和绝缘体都适用。
48
• B 红移 • 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带
25
2.1.2
• 按化学成分分类
根据化学成分，纳米材料可分为纳 米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分 子。
纳米Al颗粒
纳米晶粒
纳米陶瓷
高分子
26
2.1.2
• 按物性分类
根据物性，纳米材料可分为纳米 半导体材料、纳米热电材料、纳米磁性 材料、纳米非线性光学材料、纳米铁磁 材料、纳米超导体材料。
磁畴
• 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。
33
• 纳米微粒的粒径与熔点的关系
• 对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液 态间的转变温度。
• 当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而
代之的是液相中不规则的原子排列。
• 1954年，M. Takagi首次发现纳米粒子的熔点低 于其相应块体材料的熔点。
第二章 纳米微粒的物理化学特性
• 教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及 碳纳米管
• 重点内容： • 纳米材料的分类 • 纳米材料与传统材料的主要差别 • 物理特性：热学性能，磁学性能，光学性能，
电学性能，表面活性及敏感特性，光催化性 能，力学性能 • 富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 • 难点内容：物理特性
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2.1.1 纳米材料的分类
• 按维数分类 根据维数，纳米材料可分为 零维纳米材料、 一维纳米材料、 二维纳米材料、 三维纳米块体材料 纳米孔材料。
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1.零维纳米材料
空间三维尺度都在纳米 尺度（1～100nm）范围 内，即纳米颗粒。
C60富勒烯
纳米微粒
原子团簇
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李亚栋 Nature 2005
• 图所示的为室温下，紫 外光激发引起的纳米硅 的发光谱。
蓝移
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• 可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移 向短波方向。当粒径大于6nm时，这种光发射 现象消失。
• Tabagi认为，硅纳米微粒的发光是载流子的量 子限域效应引起的。
• Brus认为，大块硅不发光是它的结构存在平移 对称性，由平移对称性产生的选择定则使得大 尺寸硅不可能发光，当硅粒径小到某一程度时 (6nm)，平移对称性消失，因此出现发光现象。
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％， 大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可 以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应 用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
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纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材
料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。
F-117A战斗机和B-2轰炸机
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袭杀本拉登 使用隐形变种黑鹰
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• 主要英文词汇： • Cluster, nanoparticle, quantum dot, • one-dimensional nanomaterials, • nanorod, nanowire, nanotube, • nanofiber, nanocable, nanospring， • nanobelt, nanoribbon， • nanoneedle
时，327 ℃； • 银块熔点，960 ℃；纳米银(2-3 nm)，低于100
℃。 用于低温焊接(焊接塑料部件)。
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• Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如 图所示。
• 图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下 降。当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降。其中 3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点 的一半。
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2.一维纳米材料
空间三维尺度中有两维在 纳米尺度（1～100 nm）范 围内，包括纳米棒、纳米管、 纳米线和原子线等。
纳米棒
碳纳米管
Si纳米线
碳原子线
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一维纳米材料 ----纳米棒、纳米带和纳米线
• 一维纳米材料是指在两维方向上为纳米 尺度，长度比上述两维方向上的尺度大 很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。
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3. 二维纳米材料
空间三维尺度中有一维在纳米尺度（1～ 100 nm）范围内，包括纳米薄膜、纳米涂 层和超晶格等。
பைடு நூலகம்
纳米多孔薄膜
超晶格 20
• 量子线： • 是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，