纳米材料复习资料 12页

1.纳米科学与技术(Nano・ST)是研究由尺寸在0.1〜100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。2.纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。3.荷花为什么出污泥而不染？许多植物表面，如荷叶面具有超疏水(superhydrophobicity)及自洁(self-cleaning)的特性。荷叶表面疏水、始终永遠保持一尘不染。为什么会有这种“荷叶效应”？0原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米和微米级的超微结构。德国生物学家Barthlott和Neinhuis通过观察植物叶表面的微观结构，认为由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的认为在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因荷叶叶片上的多种纳米和微米級的超微结构：在超高解析度电了显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛在“山包”頂則又長出一個個饅頭狀的“碉堡”凸頂。\n荷叶叶片上的多种纳米和微米级的超微结构：因此，在“乳突"间的凹陷部份充滿著空氣，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突”的凸頂形成几个点接触。雨点在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滚动中吸附灰尘，並滾出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奧妙所在。蜡质结晶+细微结构T荷叶效应再加上叶片表面的细微结构之助，使水与叶面的面积更小而接觸角变大，因此加強了疏水性，同時也降低污染顆粒对叶面的附着力。1.荷叶效应的应用：包括防水底片、防水噴霧劑；外衣、鞋子、車了的外殼、反光鏡、安全帽鏡片、廚具、瓦斯爐等容易髒污的器具表面，甚至飛機的表面2.纳米材料的分类：按维数分类根据维数，纳米材料可分为零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米块体材料和纳米孔材料。(1)零维纳米材料：空间三维尺度都在纳米尺度(1-lOOnm)范围内，即纳米颗粒。\n女口Ceo富勒烯，纳米微粒，原子团簇(2)一维纳米材料：•…纳米棒、纳米带和纳米线一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。如：纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带同轴纳米电缆(3)・二维纳米材料:空间三维尺度中有一维在纳米尺度(1〜100nm）范|I内，包括纳米薄膜、纳米涂层和超晶格等。如^纳米多孔薄膜,生物双分子膜,超晶格。(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成):晶粒尺寸在纳米尺度(1〜lOOnm)范围的块状材料。(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)•MCM-41;SBA-16;•Nanoporoussilicon;•Activatedcarbons6・纳米材料与传统材料的主要差别:第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。•比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。尺寸第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。•比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。性能\n•L§2・2纳米微粒的物理特性•纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,•小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。•8•碳纳米管.•由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米•(1)碳纳米管奇特的力学性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一;•(2)碳纳米管的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制，因此可以认为碳纳米管是一维量子导线。•(3)纳米碳管储氢•碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶，，•研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。•据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1・5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km•应用：①太空升降机由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。•②納米碳管的應用-微型馬達•組成超微細馬達•世界將出現001米以下的機器甚至是機械人•③纳米壁挂电视利用碳纳米管制作显示屏，使壁挂电视成为可能。\n使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，而且可以缩短电子到屏幕之间的距离，从而制成更薄的电视机。•④纳米碳管储氢•研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。•据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1・5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。•⑤納米碳管的應用一一传感器•納米碳管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可以将納米碳管做成气敏元件对气体实施探测报警。•在納米碳管内填充光敏，湿敏，压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将是一个很大的产业。•9・纳米材料的分类•按结构大致可分为:•零维（如纳米粒子、量子点•②热分解法加热分解某些金属盐类后，得到组成均一的复合金属氧•2）等离子喷射加热；•3）高频感应加热；•4）电子束加热；5）激光加热;共存的点叫三相点。液、气两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力（水的临界温度和临界压力分别为374oC和21・7MPa）。•超临界状态是指在临界温度和临界压力以上的状态。即高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态。）\n•一维迦纳米线［量子线I晶须*、纳米管鬥•二维（如纳米膜）•三维（如纳米块体）•纳米结构*等•10,纳米微粒的制备方法分类：・1根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分为两大类：•物理方法和化学方法。•2根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为气相法、液相法和固相法等;•3按反应物状态分为干法和湿法。•大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛刻，如高温高压、真空等缺点。•11.(1)相制备方法%1机械合金化法…高能球磨法将合金粉末或预合金粉末在保护气氛中，在一个能产生高能压缩冲击力的密闭容器中进行研磨，可将金属粉末、金属间化合物粉末或难混溶粉末研磨成纳米颗粒，并可在很微细的尺寸上达到均匀混合。化物超细微粉。如将ZrOC12・8H20或Zr（0H）4加热到350〜1200°C分解得到纳米Zr02。通过调节温度、时间可控制Z.02的晶型、粒度,在此盐分解温度略高的温度下进行热分解•（2）气相法制备纳米微粒•1定义：气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大\n形成纳米微粒的方法。2气相法法主要具有如下特点:%1表面清洁；%1粒度整齐,粒径分布窄；%1粒度容易控制；%1颗粒分散性好。•3优势：•气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的金属碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。•4加热源通常有以下几种：•1）电阻加热；\n•6）电弧加热;•7）微波加热。•5气体冷凝法优点:•表面清洁,•粒度齐整，粒度分布窄，•粒度容易控制。•（3）液相法制备纳米微粒•液相法制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米微粒。Solution-basedmethod•液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确等优点，主要用于氧化物系超微粉的制备。•液相法包括沉淀法，水解法，水热法，喷雾法，乳液法，溶胶-凝胶法，其中应用最广的是沉淀法、溶胶•凝胶法。•12.临界状态和超临界状态•任何一种物质都存在三种相态•…气相、液相、固相。三相呈平衡态•处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨。所以超临界水是非协同、非极性溶剂。•IX关于用溶胶一凝胶法制备纳米微粒的例子很多，下面仅给出两个典型例子：•⑴醇盐水解溶胶-凝胶法已成功地制备出TiO2纳米微粒(V=6nm),有的粉体平均粒径只有l・8nm(用透射电镜和小角散射来评估)。\n•该制备方法的工艺过程如下：•在室温下40ml钛酸丁酯逐滴加到去离子水中,水的加入量为256ml,边而加边搅拌并控制滴加和搅拌速度，钛酸丁脂经过水解，缩聚，形成溶胶。超声振荡20mim在红外灯下烘干，得到疏松的氢氧化钛凝胶。将此凝胶磨细，然后在873K烧结lh,得到TiO2超微粉。•14,溶胶一凝胶法的优缺点如下：•(i)化学均匀性好：由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。•(ii)高纯度：粉料(特别是多组份粉料)制备过程中无需机械混合。•(iii)颗粒细：胶粒尺寸小于O.lum。•(iv)该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化。不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。•(v)烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结性不好。•(vi)凝胶干燥时收缩大。•1£自组装法•自组装是在无人为干涉条件下，组元通过共价键等作用自发地缔结成热力学上稳定、结构上确定、性能上特殊的聚集体的过程。•自组装过程一旦开始，将自动进行到某个预期终点，分子等结构单元将自动排列成有序的图形，即使是形成复杂的功能体系也不需要外力的作用。•坦透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、扫描隧道\n显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。•16・3.SEM分析样品的优缺点•优点:・1）仪器分辨本领较高，通过二次电子像能够观察试样表面60A左右的细节。・2）放大倍数变化范围大（一般为10—150000倍），且能近续可调。・3）观察试样的景深大，图像富有立体感。可用于观察粗糙表面，如金属断口、催化剂等。•4）样品制备简单。•缺点：•不导电的样品需喷金（Pt、Au）处理，价格高，分辨率比TEM低，现为3-4nm。•17.、原子力显微镜•AFMAtomicForceMicroscope•SEM、STM不能测量绝缘体表面的形貌。•1986年，Binning、Ouate和Gerber等人提出原子力显微镜的概念,在斯坦福大学发明了第一台原子力显微镜，不但分辨率高，可测量绝缘体，还可测量表面原子力，测量表面的弹性、塑性、硬度、黏着力、摩擦力等。•18.(1)纳米机器人在疏通血管•纳米机器人\n•机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。•(2)纳米技术在肿瘤早期诊断中的应用•微小探针技术•Tuan和其同事研制的纳米探针，探测单个活细胞的纳米传感器°当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA的损伤・(3)纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。•(4)治疗糖尿病药科学家正在为糖尿病人研制超小型的模仿健康人体内的葡萄糖水平监控系统，它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状（5）纳米止血绷带有的人鼻孔流血将长达数小时，但是目前一种纳米绷带可向鼻孔灌（6）纳米载药微粒尺度：直径10〜500nm的固态胶体粒子构造：药物通过溶解、包裹作用位于粒子内部，或通过吸附、耦合作用位于粒子表面\n特点：长循环、缓释、靶向利用药物载体的磁性特点，在外加磁场的作用下，磁性纳米载体将富集在病变部位，进行靶向给药。（7）納米科技-病毒殺手探測並毀滅人體內的病毒—傷風感冒愛滋病毒一沙士