纳米作业答案公开课一等奖课件省课获奖课件

作业1.什么是纳米？2.纳米科学与技术概念？其基本含义是什么？3.最早提出纳米尺度上科学和技术问题是著名物理学家是————4.纳米科学与技术对人类社会发展具有那些深远影响？5.简述纳米科学与技术有哪些研究领域。6.简述如何结识纳米安全和纳米标准化。第1页1、什么是纳米？纳米是一种长度单位，即为10－9米。英文称为nanometer，缩写为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m1nm大约是10个氢原子紧密排列长度，比头发宽度要小8万倍。第2页2、什么是纳米科学和技术？纳米科学和技术是指在纳米尺度（1～100nm）上研究物质组成体系运动规律和互相作用，以及在应用中实现特有功能和智能作用多学科交叉科学和技术。纳米技术是20世纪80年代末期兴起新技术，其基本含意是在纳米尺寸（1～100nm）范围内结识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达成创新目标。第3页3最早提出纳米尺度上科学和技术问题是著名物理学家，1965年诺贝尔奖取得者理查德·费曼（RichardFeynman）。第4页4.纳米科技深远影响(1)纳米科技将促使人类认知革命。首先，纳米科技科学意义体目前：纳米尺度下物质世界及其特性，是人类较为陌生领域，也是一片新研究疆土。其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域开拓，人类将承当对新理论和新发觉重新学习和理解任务。再次，从人类将来发展角度看，可连续发展将是人类社会进步唯一选择。第5页(2)纳米科技将引发一场新工业革命。摩尔定律：每18个月，计算机芯片集成晶体管数量将会在原有基础上翻一番。为了突破信息产业发展瓶颈，我们必须研究纳米尺度中理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度新集成办法和新技术标准。由于量子效应，微电子器件极限线宽一般以为是70nm。第6页生命科技也面临着在纳米科技影响下变革。纳米科技不但对信息和生物技术产业产生革命性影响，并且也促使传统产业“旧貌换新颜”。第7页(3)纳米科技将影响将来人类生活方式和思维方式。纳米科技将影响人类生活方式:纳米电子学将使电子计算机体积愈来愈小，功能愈来愈强大；超高密度海量信息存放能将图书馆里所有资料装入上衣口袋里，提供随时阅读；加上全球网络通信，学习不受时间、空间限制。全息电视使人有身临其境感觉，随时能够虚拟旅游、看电影;医生带着流动医院和药房上门服务。第8页纳米科技将影响人类思维方式:要研究和理解纳米世界，加工制造纳米器件和机器，需要多学科知识，需要洞察力、想像力和欣赏、审美能力，需要形象思维和逻辑思维并重。第9页5.简述纳米科学与技术有哪些研究领域。纳米科技是由材料、化学、物理学、生物学、医学、电子学及机械学等多种学科互相交叉而形成新科学。可归纳为三个方面：纳米材料、纳米器件、纳米尺度检测与表征。其中纳米材料是纳米科学技术基础；纳米器件研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代主要标志；纳米尺度检测与表征是纳米科学技术研究必不可少伎俩，是试验与理论主要基础。第10页6.简述如何结识纳米安全和纳米标准化。③纳米技术正面效应和负面效应是互相依赖、互相制约两个方面，在研究中处于同等主要地位，纳米安全性和纳米标准化研究是纳米科学内涵不可或缺主要方面。②所谓纳米技术标准就是有关纳米构造产品生产、性能测试技术、运输和使用技术规范性文献。市场上很多“纳米商品”还不是真正意义上“纳米产品”，某些商家为了商业利益乱贴“纳米”标签，玩弄“纳米技术戏法”，“纳米水”、“纳米冰箱”等。纳米产品识别问题已成为突出问题。目前，广大消费者对纳米技术及其产品知识理解不多，因此造成了纳米产品无序发展，迅速发展纳米产品市场急需纳米标准来规范。①纳米技术是20世纪新兴科学技术之一，它特点是，一方面有也许给人类带来巨大效益，另一方面又也许引发巨大风险。由于纳米粒子小，移动性强，反应性高，能穿透生物膜进入细胞、组织和器官，通过吸入和消化，纳米粒子可进入血液，一旦进入血流，纳米材料可周身运输，被脑、心、肺、肝、肾、脾、骨髓和神经系统吸取。纳米材料被细胞线粒体和细胞核吸取，也许引发DNA突变，诱发线粒体构造损伤，甚至造成细胞死亡。已有某些动物试验初步证明纳米材料对机体有毒性，对机体健康、生命有危害，也有长期接触纳米粒子工人受到伤害以致死亡临床报告。因此在发展纳米科技同步必须进行纳米安全性研究。第11页思考题被纳米科技形象称为“眼”和“手”扫描探针显微镜，其作为纳米科技主要研究伎俩，其中包括————系列和————系列。2.扫描隧道显微镜和原子力显微镜在观测样品方面有什么差异？简单概述。3.简述铅笔法、沾水笔法和钢笔法在放置原子时各自原理。第12页被纳米科技形象称为“眼”和“手”扫描探针显微镜，其作为纳米科技主要研究伎俩，其中包括————————————系列和——————————————————系列。扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）第13页STM基本原理是量子隧道效应。工作特点是利用针尖扫描样品表面，通过统计隧道电流获取显微图像，因此它只能用于观测导体和半导体等导电材料表面构造。AFM是通过探针与被测样品之间薄弱互相作用力(原子力)来取得物质表面形貌信息。因此，它能用于观测包括绝缘体在内所有材料表面构造。2.扫描隧道显微镜和原子力显微镜在观测样品方面有什么差异？简单概述。第14页3.简述铅笔法、沾水笔法和钢笔法在放置原子时各自原理。（1）铅笔法所放置原子直接起源于STM针尖材料。与铅笔尖上材料转移到纸面上情形相同。由于这一种方式很难控制针尖材料上单个原子蒸发，一般只能用于较大原子团簇放置，适用于异质原子人工构造加工，如把金属Au或Pt针尖上原子放置到Si原子表面加工纳米尺度点或线构造。（2）蘸水笔法所放置原子不是起源于STM针尖材料，而是先用针尖从样品上某处提取某些原子，然后再将这些吸附在针尖上原子逐一地放置到所需特定位置上去，就像写毛笔字。方式适用于加工同类单原子构造，如在Si表面加工Si原子构造。（3）钢笔法这种方式则是寻找一种办法，将某种所需原子源源不停地供应到STM针尖上，再源源不停地放置样品表面上去。这种方式则能够加工与表面和针尖异质原子构造，如在Si表面加工H原子构造。第15页作业2.纳米材料具有那些奇异特性？3.人们发觉鸽子、海豚、蝴蝶及蜜蜂等具有回归本事，它们是如何辨别方向？1.简述纳米材料概念与分类。第16页1.简述纳米材料概念与分类。①纳米材料是指材料几何尺寸达成纳米级尺度水平，并且具有特殊性能材料。20世纪80年代，纳米材料定义为1~100nm尺度范围内纳米颗粒（纳米晶）和由纳米颗粒组成薄膜和块体。目前纳米材料广义定义是指在三维空间中最少有一维处于纳米尺度范围内，或由纳米基本单元组成材料。其性质完全不一样于常规材料，而具有特殊性。第17页②纳米材料基本单元，按其三维空间中未被纳米尺度约束维数划分，能够分为：零维纳米材料：空间三维尺寸都处于纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；一维纳米材料：在三维空间中，有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维纳米材料：只在三维空间有一维处于纳米尺度，如纳米薄膜、多层薄膜等：三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成块体。第18页一般规律：

100nm，表面原子拥有率20%

1nm，表面原子拥有率99%表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比伴随纳米粒子尺寸减小而大幅度地增加，粒子表面能及表面张力也伴随增加，从而引发纳米粒子性质变化。伴随微粒子粒径变小，其表面所占有粒子数目呈几何级数增加。（1）表面效应2.纳米材料具有那些奇异特性？表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应

第19页（2）小尺寸效应

伴随颗粒尺寸量变，在一定条件下会引发颗粒性质质变，从而产生如下一系列新奇性质：特殊力学性质、热学性质、光学性质、磁学性质、悬浮液和动力学性质等。当超细微粒尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态相干长度或透射深度等物理特性尺寸相称或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等物性均会发生变化，这就是所谓纳米粒子小尺寸效应，又称体积效应。第20页（3）量子尺寸效应

这一现象出现使纳米银与一般银性质完全不一样，一般银为良导体，而纳米银在粒径不大于20nm时却是绝缘体。在纳米材料中，微粒尺寸达成与光波波长或者其他相干波长等物理特性尺寸相称或更小时，金属费米能级附近电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽现象，叫纳米材料量子尺寸效应。第21页(4)宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是基本量子现象之一，即当微观粒子总能量不大于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发觉某些宏观量，例如微颗粒磁化强度，量子相干器件中磁通量等亦有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。第22页3.人们发觉鸽子、海豚、蝴蝶及蜜蜂等具有回归本事，它们是如何辨别方向？鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中趋磁细菌等生物体中存在超微磁性颗粒，使此类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归本事。第23页作业1.富勒烯C60构造？2.简述富勒烯C60物理和化学性质.3.简述富勒烯C60潜在应用。4.简述碳纳米管构造与分类。5.简述碳纳米管物理特性。6.简述碳纳米管应用前景。第24页C60分子构造图C60中20个正六边形和12个正五边形组成圆球形构造，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，直径为0.7nm，经证明它们属于碳另一种同素异形体.1.富勒烯C60构造？第25页2.简述富勒烯C60物理和化学性质.C60具有很高对称性，是最稳定富勒烯分子，由于C60晶体构造上特点，使它展现出许多特殊物理性质。C60为黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃；几乎不溶于水，但在某些非极性分子溶液中有较高溶解度；C60能在不裂解情况下升华；C60可压缩率高，这个值是金刚石40倍，石墨3倍，这表白C60也许是已知固体碳中弹性最大，它抗冲击能力比迄今所知所有粒子都要强物理性质第26页化学性质由于C60分子球形空间构造存在着离域大共轭л键，具有芳香性，能够进行氧化、还原、加成（包括卤化与叠氮化合物、碳烯、氢等反应）、周环（[2+2]和[2+4]等）和聚合或共聚合等反应。C60不能直接进行取代反应，但它衍生物可进行取代反应。第27页3.简述富勒烯C60潜在应用。由于C60分子特殊构造，其在材料科学、高分子材料、催化、电化学、超导体等领域具有广泛应用。例如：①C60超导性：当碱金属嵌入C60分子之间空隙后，C60与碱金属系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高超导临界温度（18K）；②气体贮存：能够储存氢气和氧气；

③增强金属：提升金属材料强度比传统炭黑更加好；④与过渡金属(如铂系金属和镍)形成一系列络合物作为新型催化剂；⑤以C60光学限制性为基础，可研制出光限制产品，如防护眼镜；⑥在生物医学方面，能够杀死癌细胞，清除机体内自由基；⑦用于分离空气中氧气和氮气；⑧对高分子材料改性，赋予高分子材料新性能，如导电、光学性质。第28页4.简述碳纳米管构造与分类。它主要由六角网状石墨烯片组成数层到数十层同轴圆管，是一种具有典型层状中空构造一维纳米材料。层与层之间保持固定距离，约为0.34nm，一般直径在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，管子两端基本上都封口。构造：分类①石墨烯片层数不一样,碳纳米管能够分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)2种。②根据组成碳纳米管石墨层片螺旋性，能够将单壁碳纳米管分为非手性型（对成）和手性型（不对称）。③按照导电性能，碳纳米管能够分为导体性管和半导体性管。④按排列情况分类，碳纳米管又分为定向碳纳米管和非定向碳纳米管。第29页5.简述碳纳米管物理特性。①具有良好力学性能，CNTs抗拉强度是钢100倍,密度却只有钢1/6；弹性模量与金刚石相称，约为钢5倍；是目前可制备出具有最高比强度材料。

②具有良好导电性，根据碳纳米管直径和螺旋角度，大约1/3是金属导电性，而2/3是半导体性。单壁碳纳米管载流能力可达109A/cm2量级，是铜导线导电能力1000倍。

③具有良好场发射性能，且定向碳纳米管薄膜具有高太阳能吸取。④合适排列碳纳米管可得到非常高各向异性热传导材料。在管轴平行方向热交换性能很高，但在其垂直方向热交换性能较低。第30页6.简述碳纳米管应用前景。①因其多层中空管状构造，是迄今为止最佳储氢材料。②其特殊管状构造和良好力学性质，可作为探针型电子显微镜等探针。③可用作超级电容器电极材料。使得电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，其比功率可达成千瓦/kg数量级以上，循环寿命在万次以上④用于锂离子充电电池电极材料。其电容量远大于石墨电容量。

⑤利用其场致发射特性，制作平板显示屏。⑥碳纳米管体现出较强宽带微波吸取性能，是一种有前程抱负微波吸取剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。

⑦在医学上应用，如破坏癌细胞、在碳纳米管上生长骨骼细胞等。⑧在高分子改性上也有广泛应用，提升高分子材料强度和韧性等。第31页作业1.简述纳米TiO2光催化机理。2.简述纳米TiO2构造特性。（参见课本P145）3.简述纳米TiO2在环境保护方面用途。4.简述纳米SiO2特性、用途。（参见课本P152-155）5.简述纳米Al2O3特性、用途。6.简述纳米CaCO3特性、用途。（参见课本P171/176-177）第32页1.简述纳米TiO2光催化机理。纳米TiO2在光照条件下吸取光能，TiO2价电子被激发到导带上，从而在导带上产生光生电子和价带上产生光生空穴，即生成电子-空穴对。在价带产生对吸附于表面污染物直接进行氧化还原，或氧化表面吸附OH-，生成强氧化性羟基自由基·OH，将污染物氧化。

第33页3.简述纳米TiO2在环境保护方面用途。TiO2具有生物和化学惰性，不会发生光和化学腐蚀，价格便宜，是首选环境工程使用光催化剂。①污水处理。在光照下，能够无选择性降解多种溶于或不溶于水有机化合物，如烃类、卤代物、羧酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等。除有机物外，还可对无机污染废水处理。

如把Cr6+还原到Cr3+②空气净化器。采取光催化氧化技术能在室温下利用空气中水蒸汽和氧气清除空气中污染物③防雾及自清洁涂层。在紫外光照射下，水在TiO2薄膜上完全浸润，涂到玻璃上，能够起到防结雾作用。利用TiO2薄膜在太阳光照射下产生强氧化能力和超亲水性，能够实现物体表面自清洁。

④高效杀菌剂。利用纳米TiO2光催化性能不但能杀死环境中细菌，并且能同步降解由细菌释放出有毒复合物。

⑤紫外线吸取。纳米TiO2具有良好屏蔽紫外线功能，体现出优秀紫外线吸取性能。

第34页5.简述纳米Al2O3特性、用途。纳米Al2O3粉，具有高强度、高硬度、抗磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘性好、表面积大等优秀特性，是一种主要化工原料。被广泛地应用于精密陶瓷、复合材料、催化、电子工业、医学及新材料等方面。

第35页纳米复合材料学概念是什么？其分类办法有哪些？复合材料是两种或两种以上性质不一样材料，通过多种工艺伎俩组合而成复合体。复合材料构造是以一种相为连续相，称为基体，而另一相是以一定形态分布在连续相中分散相，称为增强体。假如增强体是纳米级话，如纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等，就称为纳米复合材料。第36页按基体种类分聚合物基纳米复合材料按增强体种类分颗粒增加纳米复合材料晶须增加纳米复合材料纤维增加纳米复合材料按基体形状分0-0复合0-2复合0-3复合纳米复合材料按增强体形状分零维（颗粒状）一维（纤维状）二维（层片状）按复合方式分晶内型晶间型晶内-晶间混合型纳米-纳米型按用途分构造纳米复合材料功能纳米复合材料智能纳米复合材料聚合物/聚合物无机物/聚合物无机基纳米复合材料陶瓷/金属陶瓷/陶瓷金属/金属金属/陶瓷1.2分类

第37页3.与一般塑料相比，纳米复合塑料有哪些优良性能？5.常用紫外线屏蔽剂有哪些？①塑料增韧增强作用。无机填料填充基体，一般会减少制品成本，提升强度、耐热性和尺寸稳定性，但往往会破坏体系韧性；而纳米材料，一般使微粒粉体添加到塑料中，对体系即增强又增韧，具有没有机填料和橡胶粒子双重作用效果。②改善塑料抗老化性。纳米材料具有很强紫外线吸取作用，对塑料基体具有紫外线屏蔽效果，避免塑料光辐射老化，提升塑料制品使用寿命。③赋予塑料功能性等。纳米材料赋予塑料功能化，如抗菌杀菌纳米复合塑料、抗静电纳米复合塑料、自清洁纳米复合塑料等。纳米复合塑料具有一般工程塑料所不具有优秀性能。

常用紫外线屏蔽剂大多是金属、金属氧化物及其盐类。典型如TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、高岭土和CaCO3等。第38页1.什么是纳米陶瓷？狭义陶瓷概念是：以黏土、长石和石英等矿物原理经筛选、粉碎、成形、干燥、烧结而得到制品，主要成份为硅酸盐类，一般指传统陶瓷。广义陶瓷概念是：以天然硅酸盐矿物制成制品或窑业产品，包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、砖瓦等。当代陶瓷概念不但包括狭义和广义两种概念，并且已赋予新含义。纳米陶瓷是指具有纳米尺度构造当代陶瓷。

4.简述纳米陶瓷性能特点。（一）力学性能

超塑性增韧性高强度（二）热学性能

比热热膨胀导热或超绝热（三）光学性能

红外吸取（四）磁学性能

荧光现象光致发光电阻和电导介电特性压电效应第39页6.什么是纳米金属？所谓纳米金属是利用纳米技术制作金属材料，具有纳米级尺寸组织构造，在其