《纳米材料》第二讲-上传.ppt

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1、第二讲纳米材料的结构与特性纳米颗粒单位质量的表面积比原来的块状固体要大得多，它与原块状固体的根本差别就在于此，比如：1m3的块材1m3内充满5nm3的小立方体表面积6m2表面积12×1018m2假设体积密度为3×106g·m-3，则比表面积分别为2×10-6m2·g-1，4×102m2·g-1当简单的差别超越极限时，颗粒将呈现出特殊状态！2.1纳米材料的结构纳米材料的结构晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置，长程有序。界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。晶体组元界面组元纳米材料的结构

2、单元构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：原子团簇、人造原子、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆。1原子团簇(atomcluster)是几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于1nm)，例如Fen，CunSm，CnHm(m，n为正数)和碳簇(C60，C70)等。目前能大量制备并分离的团簇是C60及富勒烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个正五边形，20个位正六边形，它是碳笼家族中最稳定的。C60团簇又称富勒烯(Fullerence)、巴基球(Buckyball)。2人造原子

3、(artificialatoms)人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于100nm，有时也称为量子点。人造原子与真正原子的差别：人造原子含有一定数量的真正原子；人造原子的形状和对称性是多种多样的，真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述，而人造原子不局限于这些简单的形状，除高对称性的量子点外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的微小体系都可以称为人造原子；人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多；实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中。3碳纳米管(carbonnanotubes)由石墨原

4、子单层绕同轴缠绕而成(单壁碳纳米管)或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物(多壁碳纳米管)。其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径。无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100~1000，最高可达1000~10000。4纳米棒、纳米丝和纳米线(nanorod,nanometersilkandnanowire)一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度为宏观尺度的新型纳米材料。纳米棒、纳米丝和纳米线都属于实心一维纳米材料。长径比小的、且长度小于1微米的称为纳米棒，长径比大的、且长度大于1微米的称为纳米丝或纳米线。纳米棒纳

5、米丝纳米线5纳米粒子(nanoparticles)纳米粒子是指粒度在1-100nm之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它比表面积占很大，而表面原子既无长程序又无短程序。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的Gilibs压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列四个方面的效应。2.2纳米材料的特性纳米材料的特殊性能

6、是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。1小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，微粒表面层附近的原子密度减小，导致材料的磁性、光吸收、化学活性、催化特性以及熔点等与普通粒子相比有很大变化，这就是纳米粒子的小尺寸效

7、应。特殊的光学性质块状黄金黑色超细微粒银白色的块状铂铂黑银白色的块状铬铬黑高效的光热光电转换材料，红外敏感材料，红外隐身技术特殊的热学性质大尺寸固态物质熔点固定超细微粒熔点显著降低☻当颗粒小于10nm时尤为显著导电浆料、粉末冶金业特殊的磁学性质磁性超微颗粒生物磁罗盘例如，信鸽、海龟、蜜蜂和趋磁细菌等☻螃蟹为什么横着走？小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同。大块纯铁矫顽力约为80A·m-1d<20nm矫顽力可增加1千倍d<6nm矫顽力降低到零高矫顽力高贮存密度的磁记录磁粉超顺磁性磁性液体特殊的力学性质纳米材料具有大界面，界面的原子排列是相当混乱

8、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。人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成