纳米材料技术及其应用

TheSmallWorld主讲教师：李科敏2021年5月27日一、几个有关的概念

1、纳米〔nm〕：它是长度单位，1纳米=米。一根头发的直径一般为7000-8000纳米。

2、纳米材料：尺度在0.1—100纳米这个范围，具有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。

如果仅仅是尺度到达纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。3、纳米生物学和纳米药物学：如可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞或生物医药，注入人体内后可以用于定向杀死癌细胞等有害人类健康的细胞或病毒。

4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等，满足当前电子器件和系统“更小、更快、更冷〞的趋势要求；更快是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。四、纳米材料的根本性质

1、小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生显著地变化。例如，由于比外表积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力；光吸收显著增强；纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K，而2nm的金微粒的熔点只有600K。“小尺寸效应〞举例

⑷特殊的热学性质：当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。

⑸特殊的力学性质：如纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗〞。四、纳米材料的根本性质

2、外表效应：物质的尺寸减小到纳米级时，将引起物质外表原子数、外表积、外表能的迅速增加，从而引起物质的化学活性、物理性质〔光热电磁力〕的明显变化。例如，5nm的粒子，外表原子占50%；而2nm的粒子，外表原子占80%。

外表原子增加，因其周围缺少相邻的原子而有许多悬空不饱和键，这使纳米材料的外表能增高，从而大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比较的优越性。四、纳米材料的根本性质

3、量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与宏观物质截然不同的反常特性。〔禁带加宽〕

例如，粒径为20nm的银微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。四、纳米材料的根本性质

4、宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。扫描隧道显微镜的根本原理就是基于量子隧道效应.

宏观量子隧道效应和量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的根底。它们确定了微电子器件进一步微型化的极限。四、纳米材料的根本性质

5、库仑阻塞效应：当微粒的尺寸到达纳米级时，这个体系的充电和放点是不连续〔量子化〕的。即电流随电压不再成线性增加而是阶梯式增加。此时充入一个电子所需的能量成为库仑阻塞能，它是电子进入和离开体系时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，所以，对一个纳米体系的充放电过程中，电子不能连续的集体传输，而是一个个单电子的传输，这种纳米体系中电子的单个输运现象叫做库仑阻塞效应。五、纳米碳管

纳米碳管的外径在1~50纳米，长度一般从几~几百个微米〔1微米=1000纳米〕，管壁分为单层和多层，多层碳纳米管有多个单层纳米管套叠而成。1、碳纳米管可以因碳管的直径和其中石墨层的卷曲方式不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。2、碳纳米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飞行器的隐形材料。3、碳纳米管具有很高的比面积，可用于催化剂的载体。六、纳米生物材料的内容和应用前景

1、纳米生物材料，包括纳米医用载体、纳米生物器件和纳米医药等。

纳米生物材料的科学根底是基于基因特征的分子表达，生物分子功能，生物大分子之间、大分子与外表之间、细胞与外表之间的规律与机理的认识。六、纳米生物材料的内容和应用前景

2、纳米生物材料的应用前景主要表达在：

〔1〕生物分子的操作和组装。

〔2〕生物分子机器。

〔3〕生物分子芯片。

〔4〕生物分子识别系统。

〔5〕可以调控的功能分子膜。

〔6〕自组装分子膜。

八、纳米材料在信息领域的应用

4、纳米光学材料：

〔2〕光子储存器：光子存储的根本原理是基于光子同物质〔记录信息的介质〕的直接相互作用。它的最大优点是：

〔i〕超高的记录速度〔很容易到达纳秒或皮秒量级〕

〔ii〕超高的分辨率〔在理论上到达分子水平〕

〔iii〕超高的存储密度〔储存容量特大〕八、纳米材料在信息领域的应用

4、纳米光学材料：

〔3〕光电脑：即光电脑，它是由激光器、透镜、反射镜等组成的电脑。

〔i〕光电脑是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对信息进行处理的，其处理信息的速度可达现有半导体硅器件的1000倍。

〔ii〕不同光束相交时可以互不影响地独立传播，这使得光电脑能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，如：一块4平方厘米的通道空间，其容量超过全球现有电缆总和的许多倍。十一、社会需要真纳米

目前，国内有关纳米产品进入平民百姓家的报道有些炒作成分，媒体和广告对纳米产品的宣传还缺少科学精神和社会责任感。纳米水、纳米化装品、纳米内衣、纳米洗衣机、纳米冰箱等产品的成效令人疑心。

如广告：大米粥小米粥，我们要喝纳米粥。

“纳米水〞的报道：……喝纳米水能养额、美