第二章纳米材料的理化特性
纳米材料的特性
纳米相材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大 的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比 例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特 征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶 态的新现象。
纳米材料的光学性质
1、宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光 范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减 小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可 见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的 反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光 低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
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，小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及 宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面 稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。
§1. 纳米材料的热学性质
1、熔点显著降低
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
35nm 15nm 8nm
纳米材料的热学性质 纳米材料的熔点降低、烧结温 度降低、晶化温度降低等热学性质 的显著变化来源于纳米材料的表
（界）面效应。
§2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征 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
纳米材料的光学性质
如图：由不同粒径的CdS纳 米微粒的吸收光谱看出，随着微 粒尺寸的变小而有明显的蓝移。 体相PbS的禁带宽度较窄， 吸收带在近红外，但是PbS体相 中的激子玻尔半径较大(大于 10nm)，更容易达到量子限域。 当其尺寸小于3nm时，吸收光谱 已移至可见光区。
纳米材料的原理特性应用
纳米材料的原理特性应用1. 纳米材料的定义纳米材料是一种材料，其尺寸在纳米级别（10-9米）范围内。
纳米材料在表面积、光学、电学、磁学等性质上表现出与传统材料不同的特性。
纳米材料的制备需要利用纳米技术，如纳米颗粒的合成、控制和组装等。
2. 纳米材料的原理纳米材料的特性主要是由其尺寸和结构所决定的。
在纳米尺寸下，纳米材料的表面积相比体积更大，这导致了一系列特殊的物理和化学性质。
2.1 表面效应由于纳米材料的表面积相对较大，表面原子和分子与周围环境的相互作用更加显著。
这导致纳米材料在催化、吸附和光学等方面表现出优异的性能。
例如，纳米金的表面可用于催化反应，纳米二氧化钛可以吸附有机物质，并展示出优异的光催化性能。
2.2 量子效应当材料尺寸缩小到纳米级别时，量子效应开始显现。
量子效应在电学、光学和磁学性质中具有重要作用。
例如，纳米金颗粒的电学性质会发生变化，可以用于制备导电油墨和柔性电子器件。
纳米量子点在光学上表现出材料的优异性能，可用于制备高效的太阳能电池和LED。
2.3 界面效应纳米材料中的界面效应也是其特性的重要来源。
当不同材料的纳米颗粒接触时，界面上的原子和分子之间会发生相互作用，导致材料性质的变化。
界面效应在纳米复合材料的制备和性能调控中起着重要作用，如纳米复合材料的增强和导电性能的调控。
3. 纳米材料的特性纳米材料相比传统材料具有许多特殊的物理、化学和生物学特性。
3.1 优异的力学性能纳米材料的力学性能受其尺寸的影响。
纳米颗粒具有较高的硬度和强度，同时保持良好的延展性。
这使得纳米材料在增强性能和制备高强度材料方面具有巨大潜力。
3.2 卓越的热学性能纳米材料的热导率较高，具有优异的热稳定性。
纳米材料可以用于制备高效的热界面材料和热电材料。
3.3 独特的光学性能纳米材料在光学方面表现出许多独特的特性。
纳米颗粒的表面等离子共振现象可以实现各种颜色的调控，因此纳米材料在颜色过滤器、显示器和传感器等方面有广泛的应用。
化学中的纳米材料科学知识点
化学中的纳米材料科学知识点纳米材料是指至少在一个尺寸范围内具有一个或多个尺寸小于100纳米的材料。
纳米材料的研究兴起于20世纪90年代，随着技术的进步和科学的发展，纳米材料在化学领域中扮演着重要的角色。
一、纳米材料的定义和特点纳米材料通常是由许多个纳米粒子组成的，这些纳米粒子具有特殊的物理和化学性质。
纳米材料的特点包括以下几个方面：1. 尺寸效应：当材料的尺寸减小到纳米级别时，其物理和化学性质会发生显著变化。
2. 量子效应：纳米材料中的电子、光子等粒子表现出与宏观材料不同的行为，显示出量子效应。
3. 表面效应：纳米材料的表面积相比于体积更大，表面上的原子和分子与周围环境的相互作用更加明显。
二、纳米材料的制备方法1. 溶胶-凝胶法：通过溶胶状态中的小颗粒到凝胶状态的沉淀，得到纳米材料。
2. 熔融法：通过材料的熔化和快速冷却，形成纳米粒子。
3. 气相法：通过在高温下使气体或蒸汽的粒子聚集形成纳米颗粒。
4. 暴露还原法：通过还原剂的作用，还原纳米粒子。
5. 电化学法：利用电流的作用，将金属离子沉积成纳米颗粒。
三、纳米材料的应用领域1. 光电子学领域：纳米材料在太阳能电池、显示器件和激光等方面有广泛应用。
2. 催化剂领域：纳米材料的比表面积大，可以提高反应速率和选择性，有助于催化反应的进行。
3. 生物医学领域：纳米材料在药物传递、肿瘤治疗和成像方面具有潜在应用价值。
4. 传感器领域：纳米材料可以用来制作高灵敏度的传感器，用于检测化学物质、生物分子等。
5. 环境保护领域：纳米材料在水处理、废气净化等方面具有广泛应用前景。
四、纳米材料的安全性和环境风险尽管纳米材料在科学研究和技术应用中非常有前景，但其安全性和环境风险也需要引起关注。
1. 纳米材料对人体的影响：纳米材料可以穿透细胞膜，进入人体内部，可能对人体造成潜在的毒性和健康风险。
2. 纳米材料对环境的影响：纳米材料的释放和排放可能会对环境和生态系统造成潜在的危害。
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。
纳米材料的制备及其物理化学性质
纳米材料的制备及其物理化学性质随着科学技术的不断发展，纳米材料作为一种新兴材料得到了广泛的关注和研究。
纳米材料的尺寸在1-100纳米之间，具有许多特殊的物理化学性质，如比表面积大、导电性好、磁性强等，因此在能源、催化、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将围绕纳米材料的制备和物理化学性质展开探讨。
一、纳米材料的制备1.物理法制备物理法包括溅射法、球磨法、气相沉积法等。
其中，溅射法是一种将材料的蒸汽或气体在真空条件下施加电场，使其产生离子，最终形成薄膜的方法。
球磨法是一种将原料放置在高速旋转的球磨罐内，利用摩擦力将原料颗粒磨成微米级的小颗粒，再通过纳米级的机械作用形成纳米粒子。
气相沉积法通过将材料原料在真空条件下加热蒸发，形成气体，然后在基底上沉积出薄膜或形成纳米颗粒。
2.化学法制备化学法包括溶胶凝胶法、反应物还原法、水热法等。
其中，溶胶凝胶法是一种利用一种或多种溶解的化合物通过加热、干燥等步骤，形成经固化后的凝胶，在高温下形成纳米材料的方法。
反应物还原法是将金属离子溶液与还原剂溶液混合，使其反应生成纳米颗粒。
水热法则是将反应物溶解于水中，在一定的温度和压力下通过自生晶体和调节Ph值，形成纳米材料。
二、纳米材料的物理化学性质1.比表面积大由于颗粒尺寸较小，具有比表面积大的特点，表面积与材料质量的比值增大，表面活性强，因此更容易与周围环境相互作用，发挥材料的各种特性。
同时，由于比表面积大的特点，纳米材料可以被广泛应用于各种方面，如生物医学、环境治理等领域。
2.导电性好纳米金颗粒的尺寸越小，其电阻率就越低，导电性也越好。
纳米金颗粒因为尺寸小，其表面原子团扩展，更容易达到共同原子的连结状态。
这意味着，纳米金的表面积比等容积金的表面积更大，因此，纳米金的电度活性更高。
这种特性可以应用于电子器件、催化剂等领域，提高器件的性能。
3.磁性强纳米铁颗粒具有磁性，而且具有比亚铁磁晶体颗粒更强的磁性，并且相互作用时也更加强烈。
纳米材料的特性
纳米材料的特性
纳米材料是指至少在一维上尺寸小于100纳米的材料，通常由几百到几千个原
子组成。
由于其尺寸小，纳米材料具有许多特殊的物理、化学和生物学特性，使其在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米材料的特性之一是表面效应。
由于纳米材料的尺寸小，其表面积相
对于体积来说非常大，因此表面效应在纳米材料中变得非常显著。
这使得纳米材料在催化、传感和吸附等方面具有独特的性能，可以提高材料的反应活性和选择性。
其次，纳米材料还具有量子尺寸效应。
当纳米材料的尺寸接近原子或分子的尺
寸时，量子效应将会显现出来。
这种效应使得纳米材料的电子结构和光学性质发生变化，导致其具有与宏观材料不同的电子输运和光学性能，这对于纳米电子器件和纳米光学器件的设计和制备具有重要意义。
此外，纳米材料还表现出优异的力学性能。
由于纳米材料的晶粒尺寸非常小，
其晶界和缺陷对材料的力学性能产生显著影响。
因此，纳米材料通常具有优异的强度、硬度和韧性，这使得纳米材料在材料加工和结构设计中具有重要的应用潜力。
此外，纳米材料还具有独特的磁学和光学性质。
由于纳米材料的尺寸接近光波
长或磁域尺寸，因此纳米材料在磁学和光学领域表现出与宏观材料不同的性质。
这使得纳米材料在磁记录、光学传感和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
总的来说，纳米材料具有许多独特的特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信纳米材料将会在更多领域展现出其独特的价值，为人类社会的发展做出更大的贡献。
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。
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（2）蓝移现象 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 短波方向。
6nm
2.5nm
1nm
CdS溶胶微粒在不同尺寸下的吸收谱
蓝移现象解释 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。
表面效应：
由于纳米微粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小， 键长的缩短使纳米颗粒键本征振动频率增大，使光吸收带移 向高波数。
纳米粒子红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、 SiC 及 Al2O3 粉对红外有一个宽频带强 吸收谱。
纳米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱 和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个 单一的，择优的键健振动模，而存在一个较宽的键 振动模的分布，在红外光场作用下它们对红外吸收 的频率也就存在一个较宽的分布，这就导致了纳米 粒子红外吸收带的宽化。
（1）超顺磁性 铁磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。例 如， -Fe，Fe3O4和-Fe2O3粒径分别为5，16和20nm时就 变成顺磁体。 原因：热运动导致磁化方向的改变。 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 律的变化，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相同的。
抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁 化强度与外磁场强度的关系。
c. 抗磁性：是由于外磁场使电 子的轨道运动发生变化而引起的， 所感应的磁矩很小，方向与外磁 场相反，即磁化强度为很小的负 值，是一种很弱的、非永久性的 磁性，只有在外磁场存在时才能 维持。所有的材料都有抗磁性。 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应 用来说都视为是无磁性的，因为 它们只有在外磁场存在下才被磁 化，且磁化率极小。
3.光学性能
（1）宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各 种颜色（波长）的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳 米级时各种金属纳米微粒几乎都是黑色，它们对可见光的 反射率极低。
铂纳米粒子的反射率为1%，金纳米粒子的反射率小于10%。 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
第二章
纳米材料的理化特性
主要内容
1. 纳米微粒结构与形貌
2. 热学性能
3. 磁学性能 4. 光学性能 5. 纳米微粒分散物系的动力学性质 6. 表面活性及敏感特性 7. 吸附特性 8. 分散与团聚
第一节
纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般为球形。如 -Cr小微粒为球形。
尺寸较大的微粒为立方体或正方体。 微粒表面有原子台阶。 纳米微粒的形状与制备方法有关。
抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁 化强度与外磁场强度的关系。
居里温度：对于铁磁体来说， 不管有无外磁场存在，温度 升高，导致饱和磁化强度减 小。达到某一温度时，饱和 磁化强度减小到零。这一温 度称为居里温度TC。 矫顽力：被磁化的材料在外 磁场消失后仍保持一定程度 的磁化，要消除其磁性，需 外加一反向磁场强度Hc，Hc 就叫做矫顽力。
纳米微粒高的表面能和比表面积造成晶格畸 变，原子间距减小。
ZnS
第二节 纳米微粒的性能
热学性能 比常规粉体低得多热学参数
熔点降低
表面能高 表面原子数多 表面原子近邻配位不全
熔点
开始烧结温度
晶化温度
活性大
例如，大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒熔点降低 288K；纳米Ag微粒在低于373K开始熔化，常规Ag的熔点 远高于1273K。
抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁 化强度与外磁场强度的关系。
b. 顺磁性：有些固体的原子具有本 征磁矩。这种材料在无外磁场作用 时，材料中的原子磁矩无序排列， 因此材料表现不出宏观磁性。而受 外磁场作用时，原子磁矩能通过旋 转沿外场方向择优取向，因而表现 出宏观的磁性，这种磁性称为顺磁 性。 在顺磁材料中，原子磁矩沿外磁场 方向排列，磁场强度获得增强，磁 化强度为正值，磁化率为正值。但 磁化率很小。
镍微颗粒的矫顽力Hc与颗粒直径d的关系
（2）矫顽力
纳米微粒在高于临界尺寸 时具有高的矫顽力。
一致转动模式
微粒小到一定程度，每个 微粒就是一个单磁畴。要 去掉磁性，须将每个粒子 整体的磁矩翻转，因而需 要很大的反向磁场。
铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径与温度的关系。
（3）居里温度降低：纳 米微粒由于小尺寸效应 和表面效应，具有较低 的居里温度。
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。
金纳米微粒的粒径 与熔点的关系
烧结温度降低
烧结温度：
把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些 粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度，叫 做烧结温度。 纳米微粒界面具有高能量，在烧结中成为原子运动的驱动力， 有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，导致烧结温度降 低。
如：达到类似的硬度，纳米TiO2可在比大晶粒样品低873K的 温度下烧结。
TiO2的韦氏硬度随烧 结温度的变化。
代表初始平均晶粒 尺寸为12nm的微粒。
代表初始平均晶粒 尺寸为1.3m的微粒。
常规Al2O3烧结温度在2073— 2173K，在一定条件下纳米 Al2O3可在1423K至1773K烧 结，致密度可达99.7％。常规 Si3N4烧结温度高于2273K。
不同粒径的纳米Al2O3微粒的 粒径随退火温度的变化。 图中〇 d0=8nm； d0=15nm； d0=35nm.
2.磁外磁 场作用下产生很强的磁化强度， 外磁场除去后仍保持相当大的 永久磁性，这种磁性称为铁磁 性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金 属如钇等都具有铁磁性。
纳米微粒内原子间距随 粒径减小而减小，根据 铁磁理论，导致 TC 随粒 径的减小而下降。
高磁场9.5105A/m下比饱和磁化强度s与 温度T的关系。 为85nm； 为9nm。
（4）磁化率： 纳米微粒的比饱和磁化 强度随粒径的减小而减 小。
室温比饱和磁化强度 s 与平均颗 粒直径d 的关系