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文档简介
1、第六章 纳米材料与纳米技术6.1 纳米材料与纳米技术的内涵6.2纳米材料的奇异性质6.1.1纳米科技的发展历史6.1 纳米材料与纳米技术的内涵6.1.2 纳米材料和纳米技术的内涵6.1 纳米材料与纳米技术的内涵6.1.1纳米科技的发展历史 1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,这是关于纳米技术最早的梦想。 1974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 1982年,科学家发明研究纳米材料的重要工具扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了促进作用。 1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美
2、国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生。 1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢10倍,成为纳米技术研究的热点。6.1.1纳米科技的发展历史6.1.2 纳米材料和纳米技术的内涵 纳米材料: 当物质到纳米尺度以后,大约是在1100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。 如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。 纳米技术的内涵非常广泛,它包括纳米材料的制造技术,纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域),在纳米空间构筑一个器
3、件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。纳米技术:6.1.2 纳米材料和纳米技术的内涵6.2纳米材料的奇异性质6.2.1 表面效应6.2.2小尺寸效应6.2纳米材料的奇异性质6.2.1 表面效应 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为 210-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。6.2.2小尺寸效应1. 特殊的光学性质 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越
4、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。 利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。2. 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 例如,金的常规熔点为1064,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27,2纳米尺寸时的熔点仅为327C左右;银的常规熔点为670C,而超微银颗粒的熔点可低于100。3. 特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同,大
5、块的纯铁矫顽力约为 80安米,而当颗粒尺寸减小到 210-2微米以下时,其矫顽力可增加1千倍,若进一步减小其尺寸,大约小于 610-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。4. 特殊的力学性质 因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。5. 宏观量子隧道效应 介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,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。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体
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