纳米材料的特异性质

1、1 量子尺寸效应量子尺寸效应 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质（光学、热学、由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质（光学、热学、 磁学、力学）的变化称为小尺寸效应磁学、力学）的变化称为小尺寸效应。 2021-6-297 小尺寸效应：蛾眼效应和太阳能电池板小尺寸效应：蛾眼效应和太阳能电池板 应用物理快报应用物理快报（APL），），92, 061112 (2008); 判定表面效判定表面效应应的指的指标标： (1)比表面比表面积积总总表面表面积积/总体积总体积 (2)比表面原子比表面原子数数表面原子表面原子总数总数/所有原子的所有原子的总数总数 纳米颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，具有非纳

2、米颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，具有非 常高的比表面和表面能。常高的比表面和表面能。 表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系 表面与界面效应的应用：壁虎的脚表面与界面效应的应用：壁虎的脚 表面与界面效应的应用：壁虎的脚表面与界面效应的应用：壁虎的脚 3.1.5 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 3.1.6 介电限域效应介电限域效应 介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界 面引起的体系介电效应增强的现象。这种效应主要来源于面引起的体系介电效应增强的现象。这种效

3、应主要来源于 微粒表面和内部局域场的增强。微粒表面和内部局域场的增强。 3.2 纳米材料的物理性质纳米材料的物理性质 3.2.1 具有很高的活性具有很高的活性 3.2 纳米材料的物理性质纳米材料的物理性质 5. 纳米微粒的发光纳米微粒的发光 象鼻虫使身体呈现宝石般色彩的方法有所不同，象鼻虫使身体呈现宝石般色彩的方法有所不同， 它身体上的它身体上的“宝石宝石”斑点是由光子晶体构成的斑点是由光子晶体构成的 甲虫有时也被称为甲虫有时也被称为“活着的宝石活着的宝石”，一些甲虫物种具有不，一些甲虫物种具有不 同的彩虹闪光色彩，由光子晶体和奇特的光色反射效果可同的彩虹闪光色彩，由光子晶体和奇特的光色反射效

4、果可 形成的令人预料不到的视觉效果，可以与宝石相媲美。形成的令人预料不到的视觉效果，可以与宝石相媲美。 三维晶体 具有光子晶具有光子晶体结构体结构的蝴蝶翅膀的蝴蝶翅膀 蓝移蓝移 Different samples of CdSe nanocrystals in toluene solution 一些纳米晶体与多晶体比热容实验值的比较一些纳米晶体与多晶体比热容实验值的比较 2021-6-2929 3.2.4 特殊的磁学性质特殊的磁学性质 蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G G代表磁性颗粒。代表磁性颗粒。 对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？ 人

5、类大脑中平均含有人类大脑中平均含有20微克（约微克（约500万粒）万粒） 的磁性纳米粒子的磁性纳米粒子 与进化，成长，某些脑功能的关系？与进化，成长，某些脑功能的关系？ 石鳖齿舌中含有大量石鳖齿舌中含有大量 一维纳米磁性丝一维纳米磁性丝 一维纳米丝的丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。一维纳米丝的丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。 其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性。其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性。 有趣的是，它具有天然的纳米丝生长模板有趣的是，它具有天然的纳米丝生长模板 生物矿化的牙齿内部有机纤维组织网络成为纳米丝生生物矿化的牙齿内部有机纤维组织网络成为纳米丝生 长模板。图

6、为其模板截面及磁性材料在其内形成过程。长模板。图为其模板截面及磁性材料在其内形成过程。 ppp mmlms 0 0 顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质 轨道角动量轨道角动量 对应的磁矩对应的磁矩 自旋角动量自旋角动量 对应的磁矩对应的磁矩 无外磁场时，分子的各种磁矩矢量和为零，称为无矩分无外磁场时，分子的各种磁矩矢量和为零，称为无矩分 子，由无矩分子组成的磁介质是抗磁质。有外磁场时，抗子，由无矩分子组成的磁介质是抗磁质。有外磁场时，抗 磁质使外磁场减弱。磁质使外磁场减弱。 pm 0 铁磁质铁磁质 磁畴磁畴 各个磁畴方向不同，无外场时，介质整体上不显磁性。各个磁畴方向不同，无外场时，介质整体上不显磁性。

7、 有外磁场时，磁畴壁移动，在易于磁化的方向，磁畴的有外磁场时，磁畴壁移动，在易于磁化的方向，磁畴的 体积增大，整体对外显磁性。体积增大，整体对外显磁性。 在外磁场作用下铁磁质可以使外磁场显著加强。在外磁场作用下铁磁质可以使外磁场显著加强。 2021-6-2937 顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质 铁磁质铁磁质 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料 矩磁材料矩磁材料 磁介质磁介质 按磁化方向与外磁场按磁化方向与外磁场 方向是否一致，即能方向是否一致，即能 否加强外磁场划分否加强外磁场划分 H B O S S Hc Br r B c H - 剩磁剩磁 - 矫顽力矫顽力 B H 软磁材料软磁材料 特点：磁导

8、率大、矫顽力小特点：磁导率大、矫顽力小 、容、容 易磁化也容易退磁易磁化也容易退磁 、磁滞回线包、磁滞回线包 围面积小、围面积小、 磁滞损耗小磁滞损耗小 B H 特点：剩余磁感应强度大、矫顽力特点：剩余磁感应强度大、矫顽力 大、不容易磁化、也不容易退磁大、不容易磁化、也不容易退磁 磁滞回线宽。磁滞回线宽。 磁滞损耗大矫顽力大，意味着磁化磁滞损耗大矫顽力大，意味着磁化 后剩余磁感应强度很大，称为永磁后剩余磁感应强度很大，称为永磁 铁。记忆元件。铁。记忆元件。 硬磁材料硬磁材料 B H 矩磁材料矩磁材料 特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状 应用：作计算机中的记忆元件，应用：作计算机中的记

9、忆元件， 磁化时极性的反转构成了磁化时极性的反转构成了“0”与与 “1” 3.2.5 特殊的力学性质特殊的力学性质 n纳米陶瓷增韧原理：纳米陶瓷增韧原理： 双电层 双电层 其性质之差异主要取决于亲水和亲油基团的性质特别其性质之差异主要取决于亲水和亲油基团的性质特别 是亲水基团的性质。是亲水基团的性质。 1.离子型 2.非离子型 阳离子型 阴离子型 两性型 表面活性剂 阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂 RCOONa羧酸盐 R-OSO3Na 硫酸酯盐 R-SO3Na磺酸盐 R-OPO3Na2磷酸酯盐 阳离子表面活性剂 R-NH2HCl伯胺盐 CH3 | R-N-HCl仲胺盐 | H CH3 | R

10、-N-HCl叔胺盐 | CH3 CH3 | R-N+-CH3Cl-季胺盐 | CH3 两性表面活性剂 R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸氨基酸 型型 CH3 | R-N+-CH2COO-甜菜碱型甜菜碱型 | CH3 R-(C6H4)-O(C2H4O)nH 烷基酚聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚 非离子表面活性剂 R2N-(C2H4O)nH 聚氧乙烯烷基胺聚氧乙烯烷基胺 R-O-(CH2CH2O)nH 脂肪醇脂肪醇聚氧乙烯醚聚氧乙烯醚 R-CONH(C2H4O)nH 聚氧乙烯烷基酰胺聚氧乙烯烷基酰胺 R-COOCH2(CHOH)3H 多元醇型多元醇型 R-(C6H4)-O(C2H4O)nH 烷基酚

11、聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚 非离子表面活性剂 R2N-(C2H4O)nH 聚氧乙烯烷基胺聚氧乙烯烷基胺 R-O-(CH2CH2O)nH 脂肪醇脂肪醇聚氧乙烯醚聚氧乙烯醚 1）氟表面活性剂氟表面活性剂 是指表面活性剂碳氢链中的氢原子被氟原子所取代。其特是指表面活性剂碳氢链中的氢原子被氟原子所取代。其特 点是：点是： 当憎水基的碳数相同，亲水基的分子相同时，其憎水憎当憎水基的碳数相同，亲水基的分子相同时，其憎水憎 油性均比碳氢链强；油性均比碳氢链强； 表面活性很高，不但会显著降低水的表面张力，也能降表面活性很高，不但会显著降低水的表面张力，也能降 低其他有机溶剂的表面张力；低其他有机溶剂的表面张力

12、； 1）氟表面活性剂氟表面活性剂 化学性质极其稳定，耐强酸、强碱、高温，与强氧化剂化学性质极其稳定，耐强酸、强碱、高温，与强氧化剂 不起作用。可作镀铬槽中的铬酸雾防逸剂，作油类火灾不起作用。可作镀铬槽中的铬酸雾防逸剂，作油类火灾 的灭火剂，作防水、防油的纺织品、纸张及皮革的表面的灭火剂，作防水、防油的纺织品、纸张及皮革的表面 涂敷剂。如涂敷剂。如 323223 68 C FC FC O O K ,C FC FC F SO N a 溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会 自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基 向

13、外，这种多分子聚集体称为胶束。向外，这种多分子聚集体称为胶束。 随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可 呈现棒状、层状或球状等多种形状。呈现棒状、层状或球状等多种形状。 增溶作用增溶作用非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠 等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶 作用。作用。 增溶方式增溶方式（1）增溶于胶束内部；（）增溶于胶束内部；（2）形成栅栏结构；）形成栅栏结构； （3）增溶于胶束的极性基之间；（）增溶于胶束的极性基之间；（4）被吸附

14、于胶束表面。）被吸附于胶束表面。 影响增溶作用的因素影响增溶作用的因素：（1）表面活性剂结构；（）表面活性剂结构；（2）增溶物）增溶物 的结构；（的结构；（3）无机盐效应；（）无机盐效应；（4）温度的影响。）温度的影响。 增溶的应用增溶的应用：（1）乳液聚合；（）乳液聚合；（2）注水驱油；（）注水驱油；（3）去污）去污 反胶束的结构特征反胶束的结构特征是是： （1）亲水基朝内形成内核，憎水基朝）亲水基朝内形成内核，憎水基朝 外构成外层，与正常胶束相反；（外构成外层，与正常胶束相反；（2）聚集数和尺寸均较小，）聚集数和尺寸均较小， 形状主要为球形；（形状主要为球形；（3）表面活性剂中极性基的性质

15、在缔合过）表面活性剂中极性基的性质在缔合过 程中起主要作用，离子型活性剂通常形成较大的反胶束。程中起主要作用，离子型活性剂通常形成较大的反胶束。 反胶束的应用反胶束的应用： （1）干洗干洗 （2）萃取蛋白质萃取蛋白质 （3）制备超细粉末制备超细粉末 囊泡的结构囊泡的结构：外壳由两个两亲分子尾对尾地结合所组成，内：外壳由两个两亲分子尾对尾地结合所组成，内 层由微水相组成。层由微水相组成。 囊泡的大小囊泡的大小：一般以单室囊泡和多室囊泡存在，大小在：一般以单室囊泡和多室囊泡存在，大小在 30100nm。 囊泡的形状囊泡的形状：一般以球型、椭球型或扁球型存在。：一般以球型、椭球型或扁球型存在。 对非

16、离子型的表面活性剂，对非离子型的表面活性剂，HLBHLB的计算公式为：的计算公式为： HLB值= 亲水基质量 亲水基质量+憎水基质量 100/5 1.润湿作用润湿作用 2.起泡作用起泡作用 1）降低气）降低气液界面张力，使泡沫体系稳定。液界面张力，使泡沫体系稳定。 2）在液膜上形成双层吸附。）在液膜上形成双层吸附。 3）表面活性剂的亲油基相互吸引、拉紧，使吸附层的强）表面活性剂的亲油基相互吸引、拉紧，使吸附层的强 度提高。度提高。 4）离子型表面活性剂因电离而使泡沫荷电，其相互斥力）离子型表面活性剂因电离而使泡沫荷电，其相互斥力 阻碍了表面活性剂的接近和聚集。阻碍了表面活性剂的接近和聚集。 3

17、.乳化作用乳化作用 4.洗涤作用洗涤作用 A.水的表面张力大，对油污润湿性能水的表面张力大，对油污润湿性能 差，不容易把油污洗掉。差，不容易把油污洗掉。 B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向加入表面活性剂后，憎水基团朝向 织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐 步脱离表面。步脱离表面。 C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后 被去除，洁净表面被活性剂分子占领。被去除，洁净表面被活性剂分子占领。 l含铅汽油中的铅很容易通含铅汽油中的铅很容易通 过血液长期蓄积于人的肝、过血液长期蓄积于人的肝、 肾、脾、肺和大脑中，从肾、脾、肺和大脑中，从 而导致人

18、的智能发育障碍而导致人的智能发育障碍 和血色素制造障碍等后果。和血色素制造障碍等后果。 汽车尾气的处理：加入纳米级汽车尾气的处理：加入纳米级 的复合稀土氧化物后，对尾气的复合稀土氧化物后，对尾气 的净化特别明显，尾气中的的净化特别明显，尾气中的COCO、 NOxNOx几乎完全转化。几乎完全转化。 电子能量电子能量 价带价带 导带导带 Ec Ev Eg TiO2的能的能带结构带结构 光催化可降解的部分污染性有机物光催化可降解的部分污染性有机物 物质名称物质名称降解结果降解结果 物质名称物质名称 降解结果降解结果 一氯酚 完全降解为无机物质甲醇 完全降解为CO2 二氯酚 完全降解为无机物质 甲苯完全降解 五氯酚 完全降解为无机物质 偶氮染料酸性 橙 完全降解为无机物质 氟代酚 完全降解为无机物质 敌 敌 畏 完全降解为无机物质 氯仿 完全降解为无机物质 久 效 磷