纳米材料的基本概念与性质
纳米材料综述功能材料与应用论文(已处理)
纳米材料综述功能材料与应用论文（已处理）纳米材料综述摘要概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.1、纳米材料的基本概念纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级 0.11 nm, 100nm 的超微粒子纳米微粒及由其聚集而构成的纳米固体材料。
纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。
其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。
另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。
纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:1 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;2 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。
2、纳米材料的性质2.1、纳米微粒的结构和特性纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。
由于纳米粒子具有壳层结构。
粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。
纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。
无机纳米材料
体积效应
纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。 如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。
纳米稀土复合氧化物做荧光材料 溶胶凝胶法制备镧-钼复合氧化物超细微粒催化剂(对苯甲醛的选择性）
纳米稀土复合氧化物 及其他纳米复合氧化物
其他无机纳米材料
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纳米SiC的制备：固-固法，固-液法
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应用：制备复合陶瓷（书，141）
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纳米CaCO3的制备与应用
纳米SiC的制备与应用
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纳米CaCO3的制备与应用
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CaCO3的分类
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按粒径 微粒CaCO3；粒1-5μm
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微细CaCO3；0.1-1μm
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超细CaCO3；0.02-0.1μm
纳米二氧化硅
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。
纳米材料的基本概念与性质
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
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1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
什么叫纳米材料
什么叫纳米材料
纳米材料是指至少在一个尺度上具有尺寸在1-100纳米之间的材料。
纳米材料因其独特的尺度效应和表面效应，在光学、电子、磁性、力学、热学等性能方面表现出与宏观材料迥然不同的特性。
纳米材料的研究和应用已经成为当今材料科学和纳米技术领域的热点之一。
首先，纳米材料的尺寸效应是指当材料的尺寸缩小到纳米级别时，其电子、光学、磁性等性能会发生明显变化。
例如，金属纳米颗粒的电子能级会发生量子限制效应，导致其电子结构和导电性质发生变化。
此外，纳米材料的表面积相对于体积而言更大，使得其在催化、吸附等表面相关应用中表现出优异的性能。
其次，纳米材料的表面效应是指纳米材料的表面原子和分子与体相原子和分子之间相互作用的效应。
由于纳米材料的表面原子数目较少，表面能较高，因此纳米材料表面活性较大，表现出了许多特殊的性质。
例如，纳米颗粒的光学性质受到表面等离子共振效应的影响，使得纳米材料在光学传感、生物标记等领域具有广泛应用前景。
纳米材料的独特性能使其在许多领域具有广泛的应用前景。
在材料科学领域，纳米材料被广泛应用于制备高强度、高韧性、高导电性等功能材料。
在能源领域，纳米材料被应用于太阳能电池、燃料电池、储能材料等新能源技术中。
在生物医药领域，纳米材料被用于药物传输、肿瘤治疗、生物成像等领域。
此外，纳米材料还被应用于环境保护、信息技术、传感器、光电子器件等领域。
总的来说，纳米材料是具有特殊尺寸效应和表面效应的材料，具有许多独特的性能和潜在的应用前景。
随着纳米材料科学的不断发展，相信纳米材料将会在材料科学、能源技术、生物医药等领域发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出重要贡献。
纳米材料的基本概念和性质汇总
6、纳米复合材料
定义：纳米复合材料是由两种或两种以上的 固相（其中，至少在一维为纳米级大小）复合 而成的复合材料。这些固相可以是晶质、非晶 质、半晶质或兼而有之。也可以是有机物、无 机物或二者兼有。
纳米复合材料的特点：
可综合发挥各组分间协同效能 性能的可设计性
可按需加工材料的形状
纳米复合材料的性质：
团簇的研究是多学科的交叉
化学
合成化学 化学动力学 晶体化学 结构化学 原子簇化学
物理
原子、分子物理 非晶态
表面物理 晶体生长
其它
星际分子 矿岩成因 燃烧烟粒等
原子团簇的分类
按原子种类数目：
一元原子团簇
金属团簇，如Nan，Nin等
碳簇，如C60，C70等 非金属团簇
非碳簇，如B，P，S簇
二元原子团簇：包括InnPm，AgnSm等
应用：
含有20％超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐 高温材料。
金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。
超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原 材料。例如，材料的耐高的复合体，使其间连续地发生变化，这种材料可用于 温差达1000℃的航天飞机隔热材料。
小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
应用：
光、电、磁、敏感和催化材料 吸波材料 防辐射材料 高韧性陶瓷材料等
3、碳纳米管、纳米棒、纳米线
碳纳米管是纳米材料的一支新军。它由纯碳元素 组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物， 它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可 达数微米甚至数毫米。
同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。
纳米材料的基本概念与性质
从原子到宏观块体材料的演变
团簇是由几个至几百个原子、分子或离子通过物理或化学结 合力形成的相对稳定的聚集体。通常尺寸不超过1nm。
例如，Fen, CunSm, C60, C70等。团簇的物理和化学性质随所 含原子数目而变化，其许多性质既不同于单个原子、分子，又 不同于固体和液体，是介于原子、分子与宏观固体之间的物质 结构的新层次，有时被称为物质的“第五态”。 原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子间 以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。其形 状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、 层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。
不含碳富勒烯：
1991年以色列魏茨曼研究所R.Tenne首次合成出 二硫化钨笼形管状分子（右图）。
由二硫化钨分子层形成 的不含碳富勒烯
纳米粒子（纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉）：
一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原 子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。 纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。名古 屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微 镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。 纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。其比表面 比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小 尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特异的 性质。
Si
电子能量
导带
3P 3S
价带
晶格间距
使孤立的硅原子彼此接近形成 金刚石结构晶体时形成能带
EF
硅能带中成键态与价带及反键态与导带之间的对应
原子间的相互作用导致能级发生分裂，形成能带结构。 当形成固体的原子数 n 非常大时，实际上形成了准连续 的能带。
纳米材料
变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也
叫体积效应。
(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。由此可见，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。
1飞米（femtometre）＝1000阿米（attometre）
纳米材料的定义及发展 纳米材料定义
纳米材料，是指在结构上具有纳米尺度特征的材料，纳米ห้องสมุดไป่ตู้
尺度一般是指1-100nm。
广义定义：材料的基本单元至少有一维的尺寸在 1-100nm范 围内。
同时具备的两个基本特征：纳米尺度和性能的特异变化。
蝴蝶翅膀上的斑斕色彩
蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人 着迷。这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱 的颜色是如何形成的，又有什么不同意义呢？最近，荷 兰格罗宁根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的 通道。在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后，希拉 尔多博士揭示了这个秘密：翅膀上的纳米结构正是蝴蝶 的“色彩工厂”。 他的研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微 小的鳞片状物质，它们就像圣诞树上小小的彩灯，在光 线的照耀下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其 实是一个身份标志。不同颜色的翅膀，让形色万千的蝴 蝶能在很远的地方就识别出同伴，甚至辨别出对方是雄 是雌。
横行霸道
亿万年前，螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触 角里有几颗磁性纳米微粒，螃蟹便拥有了用于定向 的几只小“指南针”。靠这种高精度的“指南针” ，螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退，行定自如。后 来，由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角 里的那几颗珍贵的纳米小磁粒发生错乱，失去了正 确指示方向的功能。于是，晕晕乎乎的螃蟹便开始 横行，从此落得个蛮横的名声。
纳米材料技术
纳米材料技术纳米材料技术是一项新兴的技术，它的发展和应用对于现代科技和工业的发展有着至关重要的作用。
在过去的几十年中，纳米材料技术已经得到了广泛的研究和应用，它涉及到了物理学、化学、生物学、医学等多个领域。
本文将从纳米材料技术的基本概念、发展历程、应用领域以及未来发展等方面进行探讨。
一、纳米材料技术的基本概念纳米材料是一种尺寸在1~100纳米之间的物质，它具有与普通材料不同的物理、化学、生物学等性质。
纳米材料技术是一种通过制备、控制、应用纳米材料的方法和技术，来开发和应用这些材料的技术。
纳米材料技术主要包括纳米制备技术、纳米表征技术、纳米加工技术和纳米应用技术等方面。
二、纳米材料技术的发展历程纳米材料技术的发展可以追溯到20世纪60年代。
当时，科学家们发现，通过制备纳米级别的材料可以获得一些新的物理、化学、生物学等性质，这些性质在普通材料中是不存在的。
在此基础上，科学家们开始开展了纳米材料的研究，并逐渐发展出了纳米制备技术、纳米表征技术、纳米加工技术和纳米应用技术等方面的技术和方法。
随着研究的深入和发展，纳米材料技术已经得到了广泛的应用。
目前，纳米材料已经应用于电子、光电子、信息、能源、化学、生物医学、环境等多个领域。
同时，纳米材料技术也成为了国际上的一个热门研究领域。
三、纳米材料技术的应用领域1. 电子领域纳米材料技术在电子领域的应用非常广泛。
例如，纳米晶体管、纳米电极、纳米电容器等器件的制备和应用，可以使电子器件的性能得到大幅度提升。
此外，纳米材料也可以用于制备高性能的电子材料，如纳米金属、纳米半导体等材料。
2. 光电子领域纳米材料技术在光电子领域的应用也非常广泛。
例如，纳米光子学、纳米光电器件等技术的应用，可以使光电子器件的性能得到大幅度提升。
此外，纳米材料也可以用于制备高性能的光电子材料，如纳米光学材料、纳米光电子材料等材料。
3. 信息领域纳米材料技术在信息领域的应用也非常广泛。
例如，纳米存储器件、纳米传感器等器件的制备和应用，可以使信息设备的性能得到大幅度提升。
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纳米材料的基本概念与性质
纳米材料是指在尺寸范围为纳米级别的材料，即其尺寸在1到100纳米之间。
相对于常规材料，纳米材料具有特殊的性质和特点，这主要源于其尺寸效应、表面效应和量子效应等纳米尺度效应的影响。
下面将详细介绍纳米材料的基本概念和性质。
首先，纳米材料具有尺寸效应。
当材料的尺寸处于纳米级别时，与常规材料相比，纳米材料的许多物理、化学和力学性质都会有显著改变。
例如，金属纳米颗粒的熔点和磁性会发生变化，纳米薄膜表面的扩散速率会增大，高填充纳米孔隙材料的机械强度也会增加。
这些尺寸效应的改变使得纳米材料在电子、光学、催化等领域具有广泛的应用潜力。
其次，纳米材料表面效应对其性质也产生了重要影响。
相对于体积物质，纳米材料拥有更大的表面积，这意味着纳米颗粒或纳米薄膜的许多原子都处于表面状态。
表面效应的存在改变了纳米材料的电子结构、晶粒尺寸和化学反应活性等性质。
由于表面活性的提高，纳米材料能更好地催化反应、吸附和储存气体、改善电池材料性能等。
另外，量子效应也是纳米材料的重要特点之一、当纳米材料的尺寸缩小到纳米级别时，其原子和分子的量子效应开始显现。
量子效应使得纳米材料的光学、电子和磁性能等性质有显著变化。
例如，纳米发光材料的荧光强度和波长会受到量子尺寸限制的影响，纳米晶体管中的载流子行为也会发生量子限制的变化。
因此，纳米材料的量子效应使得其在量子计算、纳米电子学和纳米光学等领域具有独特的应用优势。
除了尺寸、表面和量子效应之外，纳米材料还具有其他特殊性质。
例如，纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应可用于快速检测和分析微量物质的
存在；纳米结构的多孔性使其具有大的比表面积和高的吸附能力，有利于储能、催化和环境修复等应用；一些金属纳米材料具有独特的光学性质，如银纳米颗粒的表面等离子体共振现象，可用于增强光子学器件的性能。
总之，纳米材料是在纳米尺度下制备和应用的材料，其独特的性质和特点使其在诸多领域具有广泛应用的潜力。
纳米材料的尺寸效应、表面效应、量子效应以及其他特殊性质使其成为材料科学和工程领域中的研究热点，并在电子、光学、催化、生物医学和环境等领域得到广泛应用。
随着纳米材料研究的不断深入，人们对纳米材料的理解和应用会越来越深入，推动纳米科技的发展与应用。