纳米材料科学

1、纳米材料学纳米材料学主讲人主讲人:韦吉崇韦吉崇1、纳米材料的定义、纳米材料的定义英文名称英文名称: nanophase materials定义定义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（处在纳米尺度范围（1100nm）或由他们）或由他们作为基本单元构成的材料。作为基本单元构成的材料。C60碳纳米管碳纳米管2、纳米材料的特性、纳米材料的特性 独特的表面和界面效应独特的表面和界面效应当粒子尺寸越小时，表面原子占总原子的百分当粒子尺寸越小时，表面原子占总原子的百分比越大，表现出独特的表面和界面效应。如某些比越大，表现出独特的表面和界面效应。如某些金属

2、纳米微粒会自燃。无机纳米粒子可吸附气体。金属纳米微粒会自燃。无机纳米粒子可吸附气体。 纳米铁粉纳米铁粉纳米二氧化钛纳米二氧化钛 小尺寸效应小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波、德布罗依波和某物理当纳米微粒尺寸与光波、德布罗依波和某物理波长相当或更小时，纳米微粒会表现出独特的声、波长相当或更小时，纳米微粒会表现出独特的声、光、电、磁和热等性质。光、电、磁和热等性质。不导电的纳米铜。不导电的纳米铜。导电的纳米硅导电的纳米硅比金刚石还硬的纳米刀具比金刚石还硬的纳米刀具 量子尺寸效应量子尺寸效应当粒子处于纳米微粒尺寸时，连续能级变为分当粒子处于纳米微粒尺寸时，连续能级变为分立能级，其声、光、电、磁和热等性质

3、会发生变立能级，其声、光、电、磁和热等性质会发生变化。化。 加入少许某加入少许某金属纳米颗粒金属纳米颗粒 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应当纳米微粒在尺寸上接近典型的微观粒子，因当纳米微粒在尺寸上接近典型的微观粒子，因此也具隧道效应。此也具隧道效应。 3、纳米材料种类、纳米材料种类按层次的不同，纳米材料可分为：按层次的不同，纳米材料可分为：1、纳米微粒、纳米微粒 球形、片形、棒状、针状、星状、网状球形、片形、棒状、针状、星状、网状2、纳米固体、纳米固体 块状、薄膜、纤维块状、薄膜、纤维 3、纳米组装体系、纳米组装体系 丝和管丝和管球状纳米微粒球状纳米微粒纳米薄膜纳米薄膜纳米管纳米管4、纳米材料

4、的制备、纳米材料的制备4.1、纳米粉体的合成方法、纳米粉体的合成方法物理法：物理法： (1) 传统粉碎法传统粉碎法优点：成本低、产量高、工艺简单优点：成本低、产量高、工艺简单 缺点：纯度和粒度有局限缺点：纯度和粒度有局限 (2)(2) 惰性气体冷凝法制备纳米粉体惰性气体冷凝法制备纳米粉体化学法：化学法： (1) 湿化学法制备纳米粉体湿化学法制备纳米粉体 沉淀法、水热法、乳浊液法沉淀法、水热法、乳浊液法 化学气相法化学气相法 化学气相法是利用高温裂解原理，采用直流化学气相法是利用高温裂解原理，采用直流等离子、微波等离子或激光作热源，使前驱体等离子、微波等离子或激光作热源，使前驱体(precurs

5、or)发生分解，反应成核并长大成纳米粉发生分解，反应成核并长大成纳米粉体。体。 优点优点: 均匀、尺寸可控、超细微粒均匀、尺寸可控、超细微粒 缺点：缺点：价格高、对设备要求高价格高、对设备要求高 (3) 固相化学反应法固相化学反应法 固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。室高温固相反应法是将反应原料按一定比例法。室高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研磨后进行煅烧，通过高温下发生固相充分混合研磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或再次粉碎制得超微粉。反应直接制成或再次粉碎制得超微粉。优点优点: 无团聚、无需溶剂、产率高、反应条件无团

6、聚、无需溶剂、产率高、反应条件易控制易控制4.2、纳米微米复合材料制备、纳米微米复合材料制备 化学气相沉淀（化学气相沉淀（CVD）法：）法： 用挥发性金属化合物或金属单质的蒸气通过化用挥发性金属化合物或金属单质的蒸气通过化学反应合成所需化合物，既可以是单一化合物的学反应合成所需化合物，既可以是单一化合物的热分解，也可以是两种以上化合物之间的化学反热分解，也可以是两种以上化合物之间的化学反应。应。优点：优点：设备简单、容易控制，颗粒纯度高、设备简单、容易控制，颗粒纯度高、粒径分布窄，能连续稳定生产粒径分布窄，能连续稳定生产缺点：缺点：不能制备复杂的大部件、价格昂贵不能制备复杂的大部件、价格昂贵

7、4.3、有机无机纳米复合材料制备、有机无机纳米复合材料制备 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需材料，基本反应有水解反应和聚合反应。材料，基本反应有水解反应和聚合反应。 (2) 插层复合法插层复合法 首先将单体或聚合物插入经插层剂处理的层状首先将单体或聚合物插入经插层剂处理的层状硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层结构，使硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层

8、结构，使其剥离成厚为其剥离成厚为1nm，面积为，面积为100nm100nm的层状的层状硅酸盐基本单位，并均匀分散在聚合物基体中，以硅酸盐基本单位，并均匀分散在聚合物基体中，以实现高分子与黏土类层状硅酸盐在纳米尺度上的复实现高分子与黏土类层状硅酸盐在纳米尺度上的复合。合。 插层复合法示意图插层复合法示意图4.4、碳纳米管的制备、碳纳米管的制备 (1) 火花法火花法 这种方法是将两根石墨棒连接到电源，棒端这种方法是将两根石墨棒连接到电源，棒端间距为数毫米。合上电闸，石墨棒之间产生间距为数毫米。合上电闸，石墨棒之间产生100A的电弧，使石墨气化成为等离子体，其中一些以的电弧，使石墨气化成为等离子体，

9、其中一些以碳纳米管的形式重新凝聚，按质量计算，一般产碳纳米管的形式重新凝聚，按质量计算，一般产率为率为30%。 优点：优点：可制得单层或多层碳纳米管可制得单层或多层碳纳米管 缺点：缺点：管太短、不易控制管太短、不易控制(2) (2) 热气法热气法 将一块基板放进加热炉里加热至将一块基板放进加热炉里加热至600，然后慢，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。 优点：优点：管长，可产业化。管长，可产业化。 缺点缺点: :多缺陷。管抗张强度低多缺陷。管抗张强度低

10、 (3) (3) 激光轰击法激光轰击法 用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到碳纳米用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到碳纳米管。管。 优点优点：单层管多，产率高。：单层管多，产率高。缺点缺点：昂贵。：昂贵。 课堂练习课堂练习 已知某种纳米微粒由里至外可分为已知某种纳米微粒由里至外可分为n层，层，除了第除了第1层为单个原子外，其他各层都为一层为单个原子外，其他各层都为一个立方体，且立方体每个面上都均匀分布个立方体，且立方体每个面上都均匀分布n2个原子。请分别求出当个原子。请分别求出当n=2，3，4时表面时表面原子占总原子数的百分比，从中可以得出原子占总原子数的百分比，从中可以得出何结论？何结论？5、

11、纳米结构的检测技术、纳米结构的检测技术5.1、STM (Scanning Tunneling Microscope) 扫描隧道显微镜检测原理扫描隧道显微镜检测原理 右图所示为右图所示为STM的基的基本原理图。图中圆圈本原理图。图中圆圈为原子，中间深色部为原子，中间深色部分为原子核，周围浅分为原子核，周围浅色部分和分散的黑点色部分和分散的黑点电子云。上面电子云。上面6个原子个原子代表探针针尖，下面代表探针针尖，下面11个原子代表被测试个原子代表被测试样面。样面。 纳米样品处理纳米样品处理 用分散剂和溶剂制成溶胶用分散剂和溶剂制成溶胶 根据纳米粒子的亲疏水特性、表面化学特根据纳米粒子的亲疏水特性、

12、表面化学特性等选择合适的基片性等选择合适的基片 采用化学键合、化学特定吸附或静电相互采用化学键合、化学特定吸附或静电相互作用作用,使样品尽量牢固地固定到基片上使样品尽量牢固地固定到基片上6、纳米材料的应用、纳米材料的应用(1) 在计算机上的应用在计算机上的应用新型纳米材料硬盘，容量增加新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍多倍左图为现在存储器介质的表面，右图为新存储器介质的表面左图为现在存储器介质的表面，右图为新存储器介质的表面(2) 在磁学方面的应用在磁学方面的应用a、纳米磁记录材料、纳米磁记录材料b、纳米巨磁电阻材料、纳米巨磁电阻材料c、新型的磁性液体、新型的磁性液体d、纳米微晶软磁材料、纳

13、米微晶软磁材料e、纳米微晶稀土永磁材料、纳米微晶稀土永磁材料f、纳米磁致冷工质、纳米磁致冷工质(2) 在催化方面的应用在催化方面的应用a、纳米粒子的化学催化、纳米粒子的化学催化b、半导体纳米粒子的光催化、半导体纳米粒子的光催化 酯酯醇醇醛醛酸酸CO2c、纳米金属、半导体粒子的热催化、纳米金属、半导体粒子的热催化 增加爆炸效率增加爆炸效率(3) 在陶瓷增韧方面的应用在陶瓷增韧方面的应用 用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度还可以降低烧结温度,提高韧性和热传导性提高韧性和热传导性.(4) 在光学方面的应用在光学方面的应用a、红外反射材料、红外反

14、射材料b、优异的光吸收材料、优异的光吸收材料c、隐身材料、隐身材料(5) 在医学方面的应用在医学方面的应用 纳米粒子可进入血液循环中，清除血管内血栓纳米粒子可进入血液循环中，清除血管内血栓及动脉血管壁上的斑块，改进血流，以防止心、及动脉血管壁上的斑块，改进血流，以防止心、脑梗塞，还可用于治疗胆道几泌尿系结石症，也脑梗塞，还可用于治疗胆道几泌尿系结石症，也可击碎痛风尿酸结晶，再让血流清除碎片，可在可击碎痛风尿酸结晶，再让血流清除碎片，可在一定时间内减轻疼痛，缓解患者痛苦。纳米粒子一定时间内减轻疼痛，缓解患者痛苦。纳米粒子而且还具有靶向、缓解、高效、低毒特性，且可而且还具有靶向、缓解、高效、低毒特性，且可实现口服、静脉注射及敷帖等多种给药途径等许实现口服、静脉注射及敷帖等多种给药途径等许多优点，因而使其在药物输送方面具有广阔的应多优点，因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。用前景。(6) 在环保方面的应用在环保方面的应用 首先，纳米级稀土钙钛矿型复合氧化物首先，纳米级稀土钙钛矿型复合氧化物ABO3对汽车尾气所排放的对汽车尾气所排放的CO、NO和和HC具有良好的催具有良好的催化转化作用。近年来，很