纳米粒子PowerPoint幻灯片(2)

1、Nanoscale science and technology 唐青青Nanoscale science and technology 唐青青Nanoscale science and technology纳 米 科 技 唐青青纳米系统是典型的介观系统 纳米粒子通常是指尺寸在1-100nm之间的粒子（也有人认为是0.1-100nm之间）。就其大小而论是处在原子簇和宏观物体之间的过渡区，这样的系统具有一些特殊性质。它既不是典型的微观系统,又不是典型的宏观系统，而是介于两者之间的介观系统（mesoscopic system),它具有一系列新颖的物理化学性质，这些性质正是体相材料中所忽略的或根本不

2、具有的。 其实早在大约1861年，随着胶体化学学科的建立，科学家已经对直径为 1-100nm的粒子进行过研究，只是由于受当时科学的整体水平特别是实验条件的限制 。从这里也可以看到测试手段落后也制约着科学的发展。 导向肽在磁性纳米粒子表面上1959年，美国著名理论物理学R.Feynma曾说过：“我深信，当人们能操纵细微物体排列时，将可获得极其丰富的新的物质的质”。如今，这一梦想终于能在纳米材料得以实现。人们对纳米粒子的物理化学性质的研究逐步深入，到了20世纪90年代，人工制备的纳米材料已达百种以上。1990年7月在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着这一全新的技术纳米科技正式诞生。 纳米粒

3、子的结构和特征 纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成，是热力学的不稳定系统。当物质的尺寸减小到一定尺寸时，此种变化就会反馈到物质结构和物质的性能上，从而显示出许多特意的效应。纳米粒子主要有如下四种基本特征：（1）小尺寸效应 当纳米粒子的晶体尺寸与光波的波长或传导电子的 deBroglie波长以及透射深度等的尺寸相当或比他们更小时，晶体表面周期性的边界条件将被破坏，表面深层及其附近的原子密度将会减小，使得材料的光、电、磁、热力学等性能发生改变。 这种体积效应为实际应用开拓了广泛的新领域。（2）表面效应 物质的比表面随着颗粒变小而迅速增加，表面原子数占总原子数的比例也急剧增加。由于表面原子受力不均

4、匀，它的力场尚不饱和，有剩余价力，因而表面原子十分活泼，且具有很高的表面能，故有很大的化学活性，易于与其它原子相结合。如果将催化剂制成纳米粒子，则其活性必然更高。纳米粒子的结构和特征 （3）量子尺寸效应 电子是Fermion子，服从泡利不相容原理，即两个完全相同的Fermion不能处在同一状态。早在20世纪60年代，Kubo求得求得金属超微粒子的能级间距纳米粒子的微观结构?=NE34式中E为Fermion势能，N为微粒的原子数。对宏观物体，N很大，?0，即能级间距趋于零，能级是连续的。而对于纳米微粒，由于粒子小，所含原子数有限，N值较小，导致?有一定旳值，即能级间距发生分裂，能级的平均间距与粒

5、子自由电子的总数成反比。金属Fermion能级附近的电子能级由准连续变为离散不连续，并有能隙变宽的现象，这就是纳米材料的量子尺寸效应。纳米粒子的结构和特征 （4）宏观粒子的隧道效应 微观粒子具有贯穿 势垒的能力，称之为隧道效应。近年来，人们发 现微观粒子的一些宏观量，例如微颗粒的磁化强 度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有 隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生 变化，故称为宏观量子隧道效应（macroscpic quantum tunneling,缩写为MQT）。用此概念 可以解释金属镍的超细微粒在低温下 可以继续保持超顺磁性。 又例如具有铁磁性的磁铁， 当粒子尺寸达到纳米级时，

6、即由铁磁性转变为顺磁性。 氧化锌纳米粒子纳米材料制备方法分类纳米材料的类别纳米材料的类别化学法化学法物理法物理法综合法综合法纳米粉体沉淀法（共沉淀、均相沉淀） 化学气相凝聚（CVC ),水热法 相转移法 溶胶-凝胶法惰性气体沉淀法 蒸发法 激光溅射法 真空蒸镀法 球磨法 爆炸法 喷雾法 溶剂挥发法辐射化学合成法纳米膜材料溶胶-凝胶法 电沉淀法 还原法惰性气体蒸发法 高速粒子沉淀法 激光溅射法超声沉淀法纳米晶体和纳米块非晶晶化法球磨法 原位加压法 固相淬火法激光化学反应法无机-有机杂化纳米材料原位聚合法 抽层法共混法辐射化学反应法纳米高分子材料乳液法 超微乳法 悬浮法天然高分子法 液中干燥法纳米

7、微囊高分子包覆法 乳液法超声分散法 注入法 薄膜分散法 冷冻干燥法 逆向蒸发法高分子包覆-超声分散法 注入超声分散法纳米组装材料纳米结构自由组织合成纳米结构分子自组织合成模板法合成溶胶-凝胶法 化学气相沉淀法电化学沉积法上海应物所金纳米粒子的催化反应纳米材料的应用催化材料纳米材料的应用电功能材料 用自组装法研制纳米复合膜（self assembly membrane)是近年来科学研究的热点之一。含有可离子化侧基的导电聚合物极易与聚阳离子化合物自组装成聚电解质的纳米复合膜。改变条件，还可以控制其厚度，这些电功能材料可用之于微电子器件。纳米复合膜陶瓷过滤机图纳米材料的应用光学材料 液晶显示材料 从

8、光学角度来说，石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料。目前的液晶显示器利用的是以铟为基础的金属氧化物薄膜，而铟这种金属十分稀有，预计在未来十年内就可能出现供应短缺。另外，与目前电脑、手机等电子产品的重要原材料硅相比，石墨烯也具有诸多优势，因此它将来有望取代硅，在电子产品生产中得到广泛应用。 液晶显示材料纳米材料的应用纳米材料的应用储氢材料储氢材料 氢能是人类未来最理想的能源，其热值高，资源丰富，无毒无污染，并可再生。氢-氧燃料电池可做汽车发动机的动力，达到零排放。纳米材料可以作为储氢材料，反复循环使用。研究表明许多合金可作为储氢材料，如LaNi5,FeTi的纳米颗粒可作为储氢材料，若包覆V，Pd后，其储氢性能将更大提高。碳纳米管作为储氢材料纳米材料的应用磁功能材料 纳米磁性材料应用最著名的例子就是纳米药物磁粒子在肿瘤治疗上的应用。纳米药物磁粒子利用纳米Fe3O4和-Fe3O4的顺磁性，包覆药物后制成纳米级药物粒子，利用外磁场的引导把药物粒子引导定位到病灶处，然后用交变磁场进行加热，用以杀灭癌细胞。 磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用它作为磁记录材料，可以提高信噪比，改善图像质量。新型纳米技术有效攻击癌细胞纳米材料