化学与社会第5章5-纳米材料课件-杨清香.ppt

主要内容主要内容二、磁性纳米材料二、磁性纳米材料一、纳米材料和纳米技术简介一、纳米材料和纳米技术简介三、碳纳米材料三、碳纳米材料四、简单介绍纳米材料在各领域中的应用四、简单介绍纳米材料在各领域中的应用什么是什么是纳米米纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1 1纳米纳米=10=10-9-9米。米。“纳纳”(nano)来自来自于希腊文，本意是于希腊文，本意是“矮子矮子”或或”侏儒侏儒”(dwarf)的意思。的意思。一、一、纳米材料和米材料和纳米技米技术简介介？千米千米千米千米米米米米厘米厘米厘米厘米毫米毫米毫米毫米微米微米微米微米纳米纳米纳米纳米101033110110-2-21010-3-31010-6-61010-9-91010倍左右原子大小，万分之一头发粗细（几十微米）倍左右原子大小，万分之一头发粗细（几十微米）倍左右原子大小，万分之一头发粗细（几十微米）倍左右原子大小，万分之一头发粗细（几十微米）How small is 1 nanometer?头发头发生活中的纳米：墨生活中的纳米：墨文房四宝：文房四宝：笔、墨、纸、砚笔、墨、纸、砚碳纳米微粒碳纳米微粒溶于水形成溶于水形成纳米烟灰纳米烟灰生活中的纳米：烟灰生活中的纳米：烟灰横行霸横行霸“道道”的螃蟹的螃蟹据生物科学家研究，螃蟹的祖先并不是横向运动的，而是向其他生物一样前后运动。据生物科学家研究，螃蟹的祖先并不是横向运动的，而是向其他生物一样前后运动。原来亿万年前的螃蟹的第一对触角里有几颗用于定向的原来亿万年前的螃蟹的第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒，就行，就行是几只小指南针。靠着这种指南针螃蟹他们也是堂堂正正的前进或后退。是几只小指南针。靠着这种指南针螃蟹他们也是堂堂正正的前进或后退。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒子失去了后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒子失去了原来的定向作用，从而失去了前后行动的功能变成现在的横行霸道了。原来的定向作用，从而失去了前后行动的功能变成现在的横行霸道了。具有导向具有导向“罗盘罗盘”的蜜蜂的蜜蜂人们一直以为蜜蜂是利用北极星或者通过摇摆舞来向同伴传递信息来判别方向。人们一直以为蜜蜂是利用北极星或者通过摇摆舞来向同伴传递信息来判别方向。后来英国科学家发现，在蜜蜂的腹部有后来英国科学家发现，在蜜蜂的腹部有磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒，相当于指南针的功效，蜜，相当于指南针的功效，蜜蜂就是利用这种蜂就是利用这种“罗盘罗盘”来确定判明方向的。来确定判明方向的。生物体内的纳米：蛋白质生物体内的纳米：蛋白质血红蛋白血红蛋白纳米尺寸：纳米尺寸：6.4nm5.5nm5.0nm红细胞：红细胞：红细胞：红细胞：200-300nm200-300nm200-300nm200-300nm病毒的尺寸一般在病毒的尺寸一般在10300nm范围。范围。生物体内的纳米：病毒生物体内的纳米：病毒口蹄疫病毒：口蹄疫病毒：10nmSARS病毒病毒:30nm什么是什么是纳米材料？米材料？定定义：指的是在三：指的是在三维尺度上至少在某一尺度上至少在某一维方向上尺寸在方向上尺寸在1100nm范范围的材料。的材料。xyz(nm)1001001003D1D2D0DNano Material衡量纳米材料的两把尺子：衡量纳米材料的两把尺子：颗粒粒径是否介于颗粒粒径是否介于1个纳米到个纳米到100个纳米之间的，均匀度怎么样；个纳米之间的，均匀度怎么样；是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而纳米铜纳米铜则是电的绝缘体；则是电的绝缘体；硅是半导体，而硅是半导体，而纳米硅纳米硅则是良导体；陶瓷易碎，而则是良导体；陶瓷易碎，而纳米陶瓷纳米陶瓷既刚又韧，可既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而以用来制作发动机零件；而纳米纤维纳米纤维既不沾水又不沾油。既不沾水又不沾油。什么是什么是纳米技米技术？定定义义：能操作能操作细细小到小到0.1100nm物件的一物件的一类类新新发发展的高展的高技技术术。生物芯片和生物生物芯片和生物传传感器等都可感器等都可归归于于纳纳米技米技术术范畴。范畴。是用是用单单个原子、分子制造物个原子、分子制造物质质的科学技的科学技术术。纳纳米科学技米科学技术术是以是以许许多多现现代先代先进进科学技科学技术为术为基基础础，它是，它是现现代科学（混沌物理、量子力学、介代科学（混沌物理、量子力学、介观观物理、分子生物学）物理、分子生物学）和和现现代技代技术术（计计算机技算机技术术、微、微电电子和子和扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜技技术术、核分析技核分析技术术）结结合的合的产产物，物，纳纳米科学技米科学技术术又将引又将引发发一系列一系列新的科学技新的科学技术术，如：，如：纳纳米物理学、米物理学、纳纳米生物学、米生物学、纳纳米化学、米化学、纳纳米米电电子学、子学、纳纳米加工技米加工技术术和和纳纳米米计计量学等。量学等。纳米科技的米科技的发展展历程程1959年年费曼在一次题为费曼在一次题为在底部还有很大空间在底部还有很大空间（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）著名的演讲中提出）著名的演讲中提出“如果有如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？迹呢？”并预言，并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来始组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的。可以说这些都是纳米技术的最早的设想。最早的设想。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德理查德费曼费曼(RichardPFeynman)。纳米科技的迅速发展是在纳米科技的迅速发展是在19801980年代末年代末19901990年代初。年代初。19821982年，年，宾尼希宾尼希(C(CBinnig)Binnig)和罗雷尔和罗雷尔(H(HRohrer)Rohrer)等人发明了费曼所期等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(scanning(scanningtunnelingtunnelingmicroscopymicroscopy，STM)STM)。STMSTM不仅以极高不仅以极高的分辨率揭示出了的分辨率揭示出了“可见可见”的原子、分子微观世界，同时也为的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。开了一扇更加宽广的大门。1986年两人同时获诺贝尔奖。年两人同时获诺贝尔奖。纳米科技的米科技的发展展扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于纳米，纵向可优于0.01纳米。纳米。它主要用来描绘它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，还可以还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。直接书写等。STM头部扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜(STM)的出的出现现，标标志着人志着人类类在在对对微微观观尺度尺度的探索方面的探索方面进进入到一个全新的入到一个全新的领领域。作域。作为纳为纳米科技重要研米科技重要研究手段的究手段的STM也被形象地称也被形象地称为纳为纳米科技的米科技的“眼眼”和和“手手”。所所谓谓“眼睛眼睛”，即可利用，即可利用STM直接直接观观察原子、分子以及察原子、分子以及纳纳米米粒子的相互作用与特性。粒子的相互作用与特性。所所谓谓“手手”，是指，是指STM可用于移可用于移动动原子、构造原子、构造纳纳米米结结构，同构，同时为时为科学家提供在科学家提供在纳纳米尺度下研究新米尺度下研究新现现象、提出新理象、提出新理论论的的微小微小实验实验室。室。扫描隧道显微镜的特点扫描隧道显微镜的特点扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜工作原理？利用电子在原子间的量子隧穿效应利用电子在原子间的量子隧穿效应扫描扫描隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流。金属体内存在大量。金属体内存在大量“自由自由”电子，这些电子，这些“自自由由”电子在金属体内的能量分布集中于费米电子在金属体内的能量分布集中于费米（10-15）能级附能级附近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此，因此，从经典物理学来看从经典物理学来看，在金属内的，在金属内的自由自由电子，只有能电子，只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部。量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部。但但根据量子力学原理根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波动性，这，金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有一部分种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有一部分透射。也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透射。也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的透金属表面势垒，形成金属表面上的电子云电子云。这种效应称。这种效应称为为隧道效应。扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜工作原理当当两两种种金金属属靠靠得得很很近近时时（几几纳纳米米以以下下），两两种种金金属属的的电电子子云云将将互互相相渗渗透透。当当加加上上适适当当的的电电压压时时，即即使使两两种种金金属属并并未未真真正正接接触触，也也会会有有电电流流由由一一种金属流向另一种金属，这种电流称为种金属流向另一种金属，这种电流称为隧道电流。隧隧道道电电流流和和隧隧道道电电阻阻随随隧隧道道间间隙隙的的变变化化非非常常敏敏感感，隧隧道道间间隙隙即即使使只只发发生生0.01nm的的变变化化，也也能能引引起起隧隧道道电电流流的的显显著著变变化化。如如果果用用一一根根很很尖尖的的探探针针（如如钨钨针针）在在距距离离该该光光滑滑样样品品表表面面上上十十分分之之几几纳纳米米的的高高度度上上平平行行于于表表面面在在x，y方方向向扫扫描描，由由于于每每个个原原子子有有一一定定大大小小，因因而而在在扫扫描描过过程程中中隧隧道道间间隙隙就就会会随随x，y的的不不同同而而不不同同，流流过过探探针针的的隧隧道道电电流流也也不不同同。即即使使是是百百分分之之几几纳纳米米的的高高度度变变化化也也能能在在隧隧道道电电流流上上反反映映出出来来。利利用用一一台台与与扫扫描描探探针针同同步步的的记记录录仪仪，将将隧隧道道电电流流的的变变化化记记录录下下来来，即即可可得得到到分分辨辨本本领领为为百百分分之之几几纳纳米米的的STM图像图像。扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜工作原理STM扫描得到的高度有序石墨稀原子图象扫描得到的高度有序石墨稀原子图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构石墨稀的结构石墨稀的结构STM：IBM商标商标1990年，纳米技术获得了重大突破。年，纳米技术获得了重大突破。美国美国IBM公司公司阿尔马阿尔马登研究中心（登研究中心（AlmadenResearchCenter）的科学家展示了一）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们项令世人瞠目结舌的成果，他们使用使用STM把把35个氙原子移动到个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面各自的位置，在镍金属表面组成了组成了“IBM”三个字母三个字母，这三个，这三个字母加起来不到字母加起来不到3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBM商标商标。这是这是第一次公开证实在原子水平有可能以单个原子精确生产物质。第一次公开证实在原子水平有可能以单个原子精确生产物质。美国美国IBM公司的两位科学家发现，在用公司的两位科学家发现，在用STM观察金属表面的氙原子观察金属表面的氙原子时，探针作怎样的移动，靠近探针的氙原子也作同样的移动。时，探针作怎样的移动，靠近探针的氙原子也作同样的移动。STM：IBM商标商标移动原子移动原子STM：分子人：分子人1991年年IBM公司公司的的“拼字拼字”科研小科研小组利用组利用STM把一氧化碳（把一氧化碳（CO）分）分子竖立在铂表面上、分子间距约子竖立在铂表面上、分子间距约0.5纳米的纳米的“分子人分子人”，这个，这个“分子人分子人”从头到脚只有从头到脚只有5纳米，堪称纳米，堪称世界世界上最小的人形图案上最小的人形图案。1993年年中国科学院中国科学院北京真实物理实验室北京真实物理实验室用用STM操纵硅原操纵硅原子写出子写出“中国中国”两个字两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。占有一席之地。（在室温下，用（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国中国”的图形。）的图形。）STM：“中国中国”纳米科技的前景纳米科技的前景研研究究纳纳米米技技术术在在生生命命医医学学上上的的应应用用，可可以以在在纳纳米米尺尺度度上上了了解解生生物物大大分分子子的的精精细细结结构构及及其其与与功功能能的的关关系系，获获取取生生命命信信息息。科科学学家家们们设设想想利利用用纳纳米米技技术术制制造造出出分分子子机机器器人人，在在血血液液中中循循环环，对对身身体体各各部部位位进进行检测。诊断，并实施特殊治疗。行检测。诊断，并实施特殊治疗。纳纳米米技技术术在在现现代代科科技技和和工工业业领领域域有有着着广广泛泛的的应应用用前前景景。比比如如，在在信信息息技技术术领领域域，据据估估计计，再再有有10年年左左右右的的时时间间，现现在在普普遍遍使使用用的的数数据据处处理理和和存存储储技技术术将将达达到到最最终终极极限限。为为获获得得更更强强大大的的信信息息处处理理能能力力，人人们们正正在在开开发发DNA计计算算机机和和量量子子计计算算机机，而而制制造造这这两两种种计计算算机机都都需需要有控制单个分子和原子的技术能力。要有控制单个分子和原子的技术能力。纳米科技：纳米机器人纳米科技：纳米机器人艺术家描绘出的纳米机器人在操控红细胞艺术家描绘出的纳米机器人在操控红细胞纳米结构的表征手段纳米结构的表征手段纳米结构的是这么这么的小，我们到底如何去纳米结构的是这么这么的小，我们到底如何去观察和判断其结构呢观察和判断其结构呢？透射透射电电子子显显微微镜镜（TEM）扫扫描描电电子子显显微微镜镜（SEM）原子力原子力显显微微镜镜（AFM）扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜（STM）两者工作原理相似两者工作原理相似透射透射电电子子显显微微镜镜（TEM）扫扫描描电电子子显显微微镜镜（SEM）http:/www.vcbio.science.ru.nl/en/fesem/info/principe/TEM和和SEM的工作原理的工作原理纳米银纳米银TEM图片图片不同方法制备得到的纳米银不同方法制备得到的纳米银 SEM SEM 图片图片纳米材料分类纳米材料分类纳米材料纳米材料零维材料（颗粒）零维材料（颗粒）一维材料（纤维）一维材料（纤维）二维材料（薄膜）二维材料（薄膜）三维材料（块体）三维材料（块体）按形貌分类按形貌分类纳米颗粒：纳米颗粒：也称纳米粉末也称纳米粉末,一般指粒度在一般指粒度在100nm以下的粉末或颗以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。体颗粒材料。纳米纤维：纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米薄膜：纳米薄膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体：纳米块体：是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。纳米晶粒材料。纳米材料分类纳米材料分类按按化学组成化学组成可分为：纳米金属、纳米非金属、纳米塑可分为：纳米金属、纳米非金属、纳米塑料、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。料等。按按材料物性材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。米热电材料等。按按应用应用可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。纳米材料分类纳米材料分类1.宏观的思维方式：打碎通过机械的方式进行切削、研磨，将宏观的块体材料打碎，使颗粒变小。物理粉碎法；高能球磨法；庄子的办法：庄子的办法：一尺之棰，日取其半，万世不竭。一尺之棰，日取其半，万世不竭。庄子庄子 天下篇天下篇纳米材料制备方法纳米材料制备方法16.7 cm0.13 cm8.35 cm第1天第8天第2天33.3 cm78.7nm第第22天天一尺之棰纳米材料制备方法纳米材料制备方法一尺之棰，日取其半，万一尺之棰，日取其半，万世不竭。世不竭。庄子庄子天下篇天下篇纳米材料制备方法纳米材料制备方法2.微观的思维方式：阻止长大微观的思维方式：阻止长大通过一些化学或者物理的方法，从分子或者通过一些化学或者物理的方法，从分子或者原子级别进行控制，到达纳米级后阻止其进原子级别进行控制，到达纳米级后阻止其进一步长大。一步长大。物理法；物理法；化学法；化学法；纳米材料制备方法纳米材料制备方法物理法：物理法：气体冷凝法、气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法加热蒸发法、混合等离子体法化学法：化学法：n气相法：气相分解法、气相合成法、气固反应法气相法：气相分解法、气相合成法、气固反应法n液相法：液相法：沉淀法、水热法沉淀法、水热法、微乳液法、溶胶凝胶、微乳液法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法、喷雾热解法法、冷冻干燥法、喷雾热解法n固相法：热分解法、固相反应法固相法：热分解法、固相反应法纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料的四大效应纳米材料的四大效应：表面效应表面效应；小尺寸效应；小尺寸效应；量子尺寸效应；量子尺寸效应；宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应；纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质由于粒径很小，表面原子数增多，原子配位不足及高的表由于粒径很小，表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。与其他原子结合。金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。空气中会吸附气体，并与气体进行反应。利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料。剂和低熔点材料。1.1.表面效应表面效应粒子的大小与表面原子数的关系粒子的大小与表面原子数的关系直径直径/nm1510100原子总数原子总数N3040003000030000000表面原子百分表面原子百分比比9940202纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质粒径粒径/nm 100 80 60 40 20 0 比例（比例（%）表面原子数相对总原子数表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质A原原子子由由于于受受到到的的束束缚缚少少，所所以以极极不不稳稳定定，很很容容易易跑跑到到附附近的空位上。近的空位上。表表面面原原子子一一旦旦遇遇到到其其它它原原子子就就会会很很快快与与其其结结合合，使使其其稳稳定化，定化，这就是活性的原因这就是活性的原因纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。2.2.小尺寸效应小尺寸效应纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质3.3.量子尺寸效应量子尺寸效应当微粒纳米尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的当微粒纳米尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、电能或超导态的凝聚能时，纳米微大于热能、磁能、电能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为之为量子尺寸效应。量子尺寸效应。纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应。隧道效应。4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应：当宏观量子隧道效应：当微观粒子微观粒子的总能量小于的总能量小于势垒势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质力学性质力学性质电学性质电学性质光学性质光学性质热学性质热学性质磁学性质磁学性质化学性质化学性质如：熔点显著降低如：熔点显著降低如如：陶陶瓷瓷材材料料在在通通常常情情况况下下呈呈脆脆性性，很很易易打打碎碎，由由纳纳米米微微粒粒压压制制成成的的陶陶瓷瓷材材料料却却具具有有良良好好的的韧韧性性，打不碎了。打不碎了。如如：纳纳米米相相FeFe的的晶晶粒粒尺尺寸寸由由100nm 100nm 减减少少到到6nm6nm时时，硬度增加硬度增加4-54-5倍倍。力学性质力学性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质光学性质光学性质 大大块块金金属属具具有有不不同同颜颜色色的的金金属属光光泽泽，表表明明它它们们对对可可见见光光范范围围各各种种颜颜色色(波波长长)的的光光的的反反射射和和吸吸收收能能力力不不同同。而而当当尺尺寸寸减减小小到到纳纳米米级级时时，各各种种金金属属纳纳米米微微粒粒几几乎乎都都呈呈黑黑色色。它它们们对对可可见见光光的的反反射射率率极极低低，而而吸吸收收率率相相当当高高。例例如如，Pt纳纳米米粒粒子子的的反反射射率率为为1，Au纳纳米米粒粒子子的的反反射射率率小小于于10。这这种种对对可可见见光光低低反反射射率率，强强吸吸收收率率导导致致粒粒子子变变黑。黑。纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质纳米级粉末纳米级粉末黑色黑色黄色的金黄色的金白色的银白色的银灰黑色的铁灰黑色的铁光学性质光学性质纳米材料特有的性质纳米材料特有的性质化学性质化学性质 比表面积大比表面积大 界面原子数多界面原子数多界面区原子扩散系数高界面区原子扩散系数高 表面原子配位不饱和表面原子配位不饱和纳米材料具有较纳米材料具有较高的化学活性高的化学活性纳米粒子的催化作用等等纳米粒子的催化作用等等二、磁性纳米材料thegeomagneticfield(地磁场地磁场)地球北极地球北极地球北极地球北极地球南极地球南极地球南极地球南极磁性纳米材料磁性纳米材料磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性材料是指材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。接或间接产生磁性的物质。中国古代指南针中国古代指南针-司南司南蹄型磁铁蹄型磁铁条形磁铁和铁屑条形磁铁和铁屑条形磁铁的磁力线条形磁铁的磁力线磁性纳米材料磁性纳米材料磁性纳米材料与常规磁性材料的磁性纳米材料与常规磁性材料的区别在哪呢？区别在哪呢？磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程以及电子平均自由路程等大致处于等大致处于1-100nm量级量级，当磁，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质磁学性质。可逆可逆磁性纳米粒子的磁性纳米粒子的超顺磁性超顺磁性超顺磁性超顺磁性铁磁性铁磁性生物体内的纳米磁性粒子生物体内的纳米磁性粒子许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，螃蟹，人的大脑等菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，螃蟹，人的大脑等19751975年即发现向磁性细菌年即发现向磁性细菌-体内有一排磁性纳米粒子体内有一排磁性纳米粒子蜜蜂腹部的磁性纳米蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，颗粒，G代表磁性颗粒。代表磁性颗粒。向磁性细菌向磁性细菌人类大脑中平均含有人类大脑中平均含有 20 20 微克（约微克（约500500万粒）的磁性纳米粒子万粒）的磁性纳米粒子人类大脑人类大脑磁性纳米颗粒的分类磁性纳米颗粒的分类磁性磁性颗颗粒有三种粒有三种类类型型(1)20世世纪纪60年代出年代出现现的第一代的第一代铁铁氧体氧体颗颗粒粒主要有主要有-Fe2O3、MeFe2O4（MeCo，Ni，Mn）和）和Fe3O4颗颗粒等。粒等。(2)80年代出年代出现现的金属型的金属型颗颗粒粒主要有主要有Fe、Co、Ni及其合金及其合金颗颗粒。粒。(3)90年代出年代出现现的氮化的氮化铁颗铁颗粒。粒。Fe-N化合物主要有化合物主要有FeN、Fe2N、-Fe3N、Fe16N2等。等。各种形貌的磁性纳米颗粒各种形貌的磁性纳米颗粒Fe3O4磁性纳米粒子磁性纳米粒子单单分散分散Fe3O4纳纳米粒子的透射米粒子的透射电电子子显显微微镜镜（TEM）照片）照片Fe3O4磁性纳米粒子磁性纳米粒子在在Fe3O4里，里，铁显铁显两种价两种价态态，一个，一个亚铁亚铁离子离子显显+2价，两个价，两个铁铁离子离子显显+3价，所以价，所以说说四氧化三四氧化三铁铁可看成是由可看成是由FeO与与Fe2O3组组成的化合物，可表示成的化合物，可表示为为FeOFe2O3，而不能，而不能说说是是FeO与与Fe2O3组组成的混合物，成的混合物，它属于它属于纯净纯净物物。多功能磁性纳米粒子多功能磁性纳米粒子同时具有超顺磁性和荧光性质的同时具有超顺磁性和荧光性质的Fe3O4/SiO2核核/壳壳结构结构荧光荧光超顺磁性超顺磁性起稳定磁性内核的作用起稳定磁性内核的作用使其具有水溶性使其具有水溶性和生物相容性和生物相容性磁性纳米粒子在医疗上的应用磁性纳米粒子在医疗上的应用良好的生物相容性良好的生物相容性低毒性低毒性纳米粒子的尺寸要适当纳米粒子的尺寸要适当良好的稳定性良好的稳定性磁性纳米粒子在医疗上的应用磁性纳米粒子在医疗上的应用纳米粒子通过呼吸道被吸入肺部，然后再通过一块蹄型磁铁纳米粒子通过呼吸道被吸入肺部，然后再通过一块蹄型磁铁富集在某一特定区域（红色标记）。富集在某一特定区域（红色标记）。磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗稳定作用稳定作用载药载药荧光荧光识别作用识别作用磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗药药物运物运输输体系体系thedrugdeliverysystem核磁造影核磁造影诊诊断治断治疗疗magneticresonanceimaging诊诊断断治治疗疗巨噬细胞：巨噬细胞：上面有与调理素匹配的受体。上面有与调理素匹配的受体。调理素：调理素：存在于血浆和其他体液中，易与颗粒结合，从而易被吞噬细胞吞噬。存在于血浆和其他体液中，易与颗粒结合，从而易被吞噬细胞吞噬。内皮细胞内皮细胞磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗PEG-聚乙二醇聚乙二醇PEG修饰的磁性纳米粒子修饰的磁性纳米粒子磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗蹄型磁铁蹄型磁铁肿瘤肿瘤磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子磁性纳米粒子200nm时，很容易被人体的免疫系统识别，从血液中移除转移到肝脏时，很容易被人体的免疫系统识别，从血液中移除转移到肝脏及脾；及脾；非常小的磁性纳米粒子非常小的磁性纳米粒子5.5nm时，会通过肾脏排出体外；时，会通过肾脏排出体外；尺寸在尺寸在10100nm的磁性纳米粒子在血液循环中能停留最长时间，从而使得其更易于到达肿瘤部位。的磁性纳米粒子在血液循环中能停留最长时间，从而使得其更易于到达肿瘤部位。磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁性纳米粒子进行肿瘤治疗磁分离：磁分离：DNA分离分离纳米磁性粒子磁分离纳米磁性粒子磁分离DNA步骤示意图步骤示意图1纳纳米磁性粒子加入到含有多种物米磁性粒子加入到含有多种物质质的混合液中；的混合液中；2磁性磁性纳纳米粒子上修米粒子上修饰饰上的官上的官能能团团与与DNA分子相分子相结结合；合；3外加磁外加磁场场作用下，分离出作用下，分离出结结合了合了DNA的磁性的磁性纳纳米粒子米粒子磁分离：磁分离：DNA分离分离核酸的核酸的高电荷磷酸骨架高电荷磷酸骨架使其比蛋使其比蛋白质、多糖、脂肪等其他生物大白质、多糖、脂肪等其他生物大分子物质更具亲水性。分子物质更具亲水性。通过在磁性纳米粒子上修饰上反通过在磁性纳米粒子上修饰上反电荷的基团，即正电荷的基团，电荷的基团，即正电荷的基团，可以有效的吸附上可以有效的吸附上DNA，进行，进行磁分离。磁分离。DNA的双螺旋结构的双螺旋结构碱基对碱基对磷酸骨架磷酸骨架磁分离：磁分离：DNA分离分离纳米磁性粒子磁分离纳米磁性粒子磁分离DNA示意图示意图磁分离磁分离:细胞分离细胞分离纳米磁性粒子磁识别和分离纳米磁性粒子磁识别和分离细胞细胞步骤示意图步骤示意图1纳纳米磁性粒子加入到含米磁性粒子加入到含细细胞的溶液中；胞的溶液中；2磁性磁性纳纳米粒子上修米粒子上修饰饰上的上的识别识别基基团团与与细细胞相胞相结结合；合；3外加磁外加磁场场作用下，分离出作用下，分离出结结合了合了细细胞的磁性胞的磁性纳纳米粒子米粒子磁分离磁分离纳米磁性粒子磁识别和分离纳米磁性粒子磁识别和分离蛋白质蛋白质步骤示意图步骤示意图磁分离：蛋白质的结构磁分离：蛋白质的结构氨基酸结构式氨基酸结构式R取代基不同对应不同的氨基酸取代基不同对应不同的氨基酸蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的初级结构蛋白质的初级结构初级结构初级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构磁分离：蛋白质的结构磁分离：蛋白质的结构21种氨基酸种氨基酸磁分离磁分离纳米磁性粒子是怎么样结纳米磁性粒子是怎么样结蛋白质蛋白质进行分离的？进行分离的？I:6个个组组氨酸氨酸标记标记的蛋白的蛋白质质;II:其他的蛋白其他的蛋白质质;III:细细胞碎片胞碎片;IV:其他的其他的杂杂种。种。组氨酸组氨酸(His)磁流体（磁流体（magnitcfluid）磁磁流流体体也也称称为为铁铁磁磁流流体体或或磁磁液液。它它是是将将掺掺入入到到载载液液（水水、油油类类、酯酯类类、醚醚类类等等液液体体）中中的的铁铁磁磁性性微微粒粒（10nm）用用分分散散剂剂均均匀匀地地分分散散，使使成成为为某某种种具具有有流流动动性性的的悬悬浮浮状状的的胶胶态态液液体体。磁磁流流体体在在静静态态时时无无磁磁性吸引力，当外加磁性吸引力，当外加磁场场作用作用时时，才表，才表现现出磁性出磁性磁流体磁流体磁流体兼有金属特有的强磁性和液体所特有的流动性，并且适当的选择溶磁流体兼有金属特有的强磁性和液体所特有的流动性，并且适当的选择溶媒或者添加第三种成分，还可以使它具有各种不同的特性。媒或者添加第三种成分，还可以使它具有各种不同的特性。磁流体自上世纪研发出至今，已应用磁流体自上世纪研发出至今，已应用于很多领域，例如：密封、冷却、润于很多领域，例如：密封、冷却、润滑、医学、发动机、计量阀、生物学、滑、医学、发动机、计量阀、生物学、精密研磨、矿物分离、磁制冷、磁发精密研磨、矿物分离、磁制冷、磁发电等。电等。磁流体磁流体磁流体会随着外界磁流体会随着外界磁场的变化而产生磁场的变化而产生不同的形状不同的形状磁流体密封技术磁流体密封技术当当磁磁性性流流体体注注入入具具有有磁磁场场的的间间隙隙中中时时，它它可可以以充充满满整整个个间间隙隙，成成为为一一种种液液体体“O型型密密封封圈圈”。集集聚聚的的磁磁性性液液体体粒粒子子不不仅仅可可起起到到密密封封，润润滑滑等等作作用用，又又可可相相对对运运动动自自由由，因因而而在在真真空空，环环保保等等方面方面应应用广泛。用广泛。磁磁流流体体密密封封是是一一种种非非接接触触式式密密封封技技术术。它它可可以以封封气气、封封水水、封封油油、封封尘尘、封封烟烟雾雾等等，是是防防止止污污染染物物通通过过的的有有效效屏屏障障。磁磁流流体体密密封封是是通通过过设设置置单单个个或或多多个个永永久久磁磁铁铁和和铁铁磁磁性性极极靴靴，绕绕高高渗渗透透旋旋转转轴轴形形成成强强磁磁场场，在在旋旋转转轴轴和和永永久久磁磁铁铁的的夹夹缝缝中中加加入入磁磁流流体体，由由于于磁磁场场吸吸引引力力的的作作用用，磁磁流流体体绕绕轴轴形形成成“O”型环，把空隙完全堵住，阻止被密封介质从空隙通过。型环，把空隙完全堵住，阻止被密封介质从空隙通过。磁流体密封技术磁流体密封技术宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一磁流体磁流体磁流体密封技术磁流体密封技术磁流体应用于密封装置的特性磁流体应用于密封装置的特性u其装置可长期使用其装置可长期使用10年无需维修年无需维修u磁性流体包围整个转轴，成为一隔绝空气，水气，烟雾等元素的磁性流体包围整个转轴，成为一隔绝空气，水气，烟雾等元素的密封圈，几乎无泄漏的特性，密封圈的泄漏微弱到已无法测量密封圈，几乎无泄漏的特性，密封圈的泄漏微弱到已无法测量u密封圈由永磁结构和稳定的磁性流体组成，所以机械磨损仅发生密封圈由永磁结构和稳定的磁性流体组成，所以机械磨损仅发生在轴承上在轴承上u因为密封圈无磨损，没有微粒产生，降低了整个系统的污染，而因为密封圈无磨损，没有微粒产生，降低了整个系统的污染，而且低的气压可使密封圈便于维修，其真空