纳米技术与精细化工讲座优秀课件.ppt

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1、纳米技术与精细化工讲座第1页，本讲稿共113页n n各种材料中熔点最高的是什么？各种材料中熔点最高的是什么？n n如果要从月球挂一根绳索到地球上，用什如果要从月球挂一根绳索到地球上，用什么材料能做成这样的绳索？么材料能做成这样的绳索？第2页，本讲稿共113页纳米科技研究的重要性n n纳米科技与基因工程和智能科技一起被纳米科技与基因工程和智能科技一起被称为称为“21世纪高科技三剑客世纪高科技三剑客”，在，在21世世纪初正式登上世界经济舞台纪初正式登上世界经济舞台.纳米科技的纳米科技的兴起兴起,孕育了一个新的经济模式孕育了一个新的经济模式-纳纳米经济的诞生米经济的诞生.n n钱学森钱学森(1991

2、)：“我认为，纳米左右我认为，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将在的重点，会是一次技术革命，从而将在21世纪又是一次产业革命。世纪又是一次产业革命。”第3页，本讲稿共113页n n人们研究和开发纳米技术的目的，就是要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。实现对整个微观世界的有效控制。n n作为材料技术，纳米技术能够为信息和生作为材料技术，纳米技术能够为信息和生物科学技术进一步发展提供基础的材料，物科学技术进一步发展提供基础的材料，所以纳米技术的意义已远远超过了电子信所以纳米技术的意义已远远超过

3、了电子信息技术和生物科学技术。息技术和生物科学技术。第4页，本讲稿共113页纳米科技研究的重要性n n20042004年年1 1月月1212日，由中国科学院主办的日，由中国科学院主办的528528名院士投名院士投票评选出来的票评选出来的20032003世界十大科技新闻揭晓。其中，排名世界十大科技新闻揭晓。其中，排名第一的新闻就是科学家研制出世界最小的纳米电动机。第一的新闻就是科学家研制出世界最小的纳米电动机。n n在未来的二十至三十年内，纳米技术将在三个方面对人类在未来的二十至三十年内，纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻的影响：一、社会生产途径；二、人类生活社会产生深刻的影响：一、社会生产

4、途径；二、人类生活方式；三、人们思维模式。方式；三、人们思维模式。第5页，本讲稿共113页科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。纳米技术的出现，标志着人类社会在发展进纳米技术的出现，标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶。程中正迈向一个新的台阶。第6页，本讲稿共113页n第一部分第一部分 纳米技术简介纳米技术简介n n第二部分第二部分 纳米技术在精细化纳米技术在精细化工方面的应用工方面的应用n n第三部分第三部分 现状与展望现状与展望第7页，本讲稿共113页第一部分第一部分纳米技术简介纳米技术简

5、介n n第一节、概述n n第二节、纳米材料的结构与性能n n第三节、纳米材料的制备方法第8页，本讲稿共113页第一节第一节 概概 述述一、纳米技术与纳米材料的概念一、纳米技术与纳米材料的概念二、纳米材料的分类二、纳米材料的分类第9页，本讲稿共113页一、纳米技术与纳米材料的概念纳米科技诞生纳米科技诞生n n1959195919591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德理查德理查德理查德 费曼费曼费曼费曼在在在在在底部还有很大空间在底部还有很大空间在底部还有很大空间在底部还有很大空间的一次讲演

6、中指出，从石器的一次讲演中指出，从石器的一次讲演中指出，从石器的一次讲演中指出，从石器时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。子甚至原子出发而

7、组装制造物品的可能性。他预言，人他预言，人他预言，人他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造类意愿，逐个地排列原子，制造类意愿，逐个地排列原子，制造类意愿，逐个地排列原子，制造“产品产品产品产品”，这是关于纳，这是关于纳，这是关于纳，这是关于纳米技术最早的梦想。米技术最早的梦想。米技术最早的梦想。米技术最早的梦想。n n费曼费曼费曼费曼纳米科技之父纳米科技之父纳米科技之父纳米科技之父 原子排成的“原子”字样

8、第10页，本讲稿共113页n n1990年，年，IBM公司公司阿尔马登研究中心的阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子个原子移动到各自的位置，组成了移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有没有3个纳米长。个纳米长。第11页，本讲稿共113页n n纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米纳米材料其实并不神

9、密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料。材料。材料。材料。n n人工制备纳米材料的实践也已有人工制备纳米材料的实践也已有人工制备纳米材料的实践也已有人工制备纳米材料的实践也已有10001000年的历史。年的历史。年的历史。年的历史。一、纳米技术与纳米材料的概念一、纳米技术与纳米材料的概念纳米就在我们身边第12页，本讲稿共113页n n纳米（nm）实际上是一种长度单位，1纳米仅等于十亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。n n1m=1000mm 1mm=10

10、00m 1 m=1000nm第13页，本讲稿共113页空间尺度的划分n n宇观宇观(Cosmoscopic)(Cosmoscopic)n n遥观遥观(Remote sensoscopic)(Remote sensoscopic)n n宏观宏观(Macroscopic)(Macroscopic)n n显微观显微观(Optico-microscopic)(Optico-microscopic)n n介观介观介观介观(Mesoscopic)(Mesoscopic)或纳米观或纳米观或纳米观或纳米观(Nanoscopic):1100nm(Nanoscopic):1100nmn n微观微观(Microsc

11、opic)(Microscopic)n n皮米观皮米观(Picosopic)(Picosopic)n n飞米观飞米观(Fentoscopic)(Fentoscopic)n n亚飞米观亚飞米观(Subfentoscopic(Subfentoscopic第14页，本讲稿共113页n n1.纳米技术 纳米科技是纳米科技是纳米科技是纳米科技是9090年代初迅速发展起来的新的前沿年代初迅速发展起来的新的前沿年代初迅速发展起来的新的前沿年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在科研领域。它是指在科研领域。它是指在科研领域。它是指在1-100nm1-100nm尺度内，研究电尺度内，研究电尺度内，研究电尺

12、度内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。子、分子，制造出具有特定功能的产品。子、分子，制造出具有特定功能的产品。子、分子，制造出具有特定功能的产品。注意注意注意注意单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不单纯的某一纳米材料若没有特

13、殊的结构和性能表现，还不单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不能称为纳米技术。能称为纳米技术。能称为纳米技术。能称为纳米技术。第15页，本讲稿共113页2.纳米材料纳米材料n n纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成组成,一般是指尺寸在一般是指尺寸在1100nm间的粒子，间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。n n纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸纳米固体材料。纳米

14、超微粒子是指粒子尺寸为为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。而人们习惯纳米超微粒子制成的固体材料。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。长度尺寸称为纳米材料。第16页，本讲稿共113页二、怎样看见和操纵原子？二、怎样看见和操纵原子？n n化学家常常自豪地说：化学家常常自豪地说：化学家常常自豪地说：化学家常常自豪地说：“化学是一门在原子分子水平上研究物质化学是一门在原子分子水平上研究物质化学是一门在原子分子水平上研究物质化学是一门在原子分子水平上研究物质的结构、性质、变化

15、规律和应用的科学。的结构、性质、变化规律和应用的科学。的结构、性质、变化规律和应用的科学。的结构、性质、变化规律和应用的科学。”n n但是真正但是真正但是真正但是真正“看见看见看见看见”原子和分子却是原子和分子却是原子和分子却是原子和分子却是2020世纪世纪世纪世纪8080年代后期的事，距年代后期的事，距年代后期的事，距年代后期的事，距离道尔顿提出原子论的时间差不多有离道尔顿提出原子论的时间差不多有离道尔顿提出原子论的时间差不多有离道尔顿提出原子论的时间差不多有2 2个世纪。个世纪。个世纪。个世纪。第17页，本讲稿共113页原原子子n n一个最小的细菌里面大约可以容纳一个最小的细菌里面大约可以

16、容纳一个最小的细菌里面大约可以容纳一个最小的细菌里面大约可以容纳20202020亿个原子。亿个原子。亿个原子。亿个原子。n n十个氢原子紧密排列十个氢原子紧密排列十个氢原子紧密排列十个氢原子紧密排列1nm1nm1nm1nm颗粒颗粒颗粒颗粒乒乓球乒乓球乒乓球乒乓球地地地地球球球球n n原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光学显微镜怎么改进都不可能看到原子。学显微镜怎么改进都不可能看到原子。学显微镜怎么改进都不可能看到原子。学显微镜怎么改进都不可能看到原子。第18页，本

17、讲稿共113页纳米世界的眼和手纳米世界的眼和手扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STMSTM）n nSTM是是20世纪世纪80年代世界十大科技成就年代世界十大科技成就之一。之一。n n扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展起到原子、分子世界，对纳米科技的发展起到了巨大的推进作用。了巨大的推进作用。第19页，本讲稿共113页扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜n n扫描隧道显微镜是扫描隧道显微镜是扫描隧道显微镜是扫描隧道显微镜是80808080年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原年代初期发展起来的新

18、型显微仪器，能达到原年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作为在极其细微的尺度要手段，而且可以作为在极其细微的尺度要手段，而且可以作为在极其细微的尺度要手段，而且可以作为在极其细微的尺度即纳米尺度（即纳米尺度（即纳米尺度（即纳米尺度（1 nm=101 nm=101 nm=101 nm=10-9 9 9 9 m m m m）上实现对物质表面精

19、细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。心所欲地操纵某些原子。心所欲地操纵某些原子。心所欲地操纵某些原子。第20页，本讲稿共113页 20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GBinnig和HRoher发明了扫描隧道显微镜。第21页，本讲稿共113页扫描隧道显微镜第22页，本讲稿共113页科学家使用STM观测物质的纳米结构第23页，本讲稿共113页 STMSTM具有空间的高分辨率具有空间

20、的高分辨率(横向可达横向可达0.1nm0.1nm，纵向可达，纵向可达0 001nm)01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和扫描。它是用一个极细的针尖扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子针尖头部为单个原子)去去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(1nm)1nm)，针，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针

21、尖和样品尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息；把表面的信息；(表面形貌和表面电子态表面形貌和表面电子态)记录下来。记录下来。第24页，本讲稿共113页STM针尖 扫描隧道显微镜工作原理示意图 第25页，本讲稿共113页纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。硅表面第26页，本讲稿共113页第27页，本讲稿共113页AFMAFM弥补弥补STMSTM的局限的局限198

22、61986年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称为原子力显微镜（为原子力显微镜（ATMATM）。）。STMSTM与与ATMATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPMSPM）的）的两大主体技术。两大主体技术。AFMAFM又弥补了又弥补了STMSTM的局限，使被测试样扩大到非导电领域的局限，使被测试样扩大到非导电领域。第28页，本讲稿共113页三、纳米材料的分类三、纳米材料的分类1.1.按结构：按结构：按结构：按结构：n n零维纳米材料

23、：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如料，如 纳米粒子、原子团簇等纳米粒子、原子团簇等n n一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线 纳米管纳米管n n二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜n n三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm15nm的超微颗的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成

24、的致密性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如如5 nm5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含颗粒所构成的固体每立方厘米将含10191019个晶界，从而个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。使得纳米材料具有高韧性。第29页，本讲稿共113页扫描隧道显微镜下的纳米团簇第30页，本讲稿共113页n n纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般也称纳米粉末，一般指粒度在指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特等原因，它具

25、有不同于常规固体的新特性。性。第31页，本讲稿共113页奇妙的碳纳米管19911991年，日本科学家年，日本科学家年，日本科学家年，日本科学家饭岛澄饭岛澄饭岛澄饭岛澄男男男男发现碳纳米管。发现碳纳米管。发现碳纳米管。发现碳纳米管。这是石墨中一层或若干层碳原这是石墨中一层或若干层碳原这是石墨中一层或若干层碳原这是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状子卷曲而成的笼状子卷曲而成的笼状子卷曲而成的笼状“纤维纤维纤维纤维”，内部是空的，外部直径只有，内部是空的，外部直径只有，内部是空的，外部直径只有，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，长度可达数微几到几十纳米，长度可达数微几到几十纳米，长度可达数微

26、几到几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。米甚至数毫米。米甚至数毫米。米甚至数毫米。这样的材料很轻，但很结实。它这样的材料很轻，但很结实。它这样的材料很轻，但很结实。它这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的的密度是钢的的密度是钢的的密度是钢的1/61/6，而强度却，而强度却，而强度却，而强度却是钢的是钢的是钢的是钢的100100倍。倍。倍。倍。第32页，本讲稿共113页碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电

27、性能、导热性能。材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能。第33页，本讲稿共113页n n碳纳米管的导电率是铜的碳纳米管的导电率是铜的碳纳米管的导电率是铜的碳纳米管的导电率是铜的1 1 1 1万倍；万倍；万倍；万倍；n n碳纳米管像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它碳纳米管像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它碳纳米管像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它碳纳米管像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。的熔点是已知材料中最高的。的熔点是已知材料中最高的。的熔点是已知材料中最高的。n n纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘纳米碳管的细尖极易

28、发射电子。用于做电子枪，可做成几厘纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。第34页，本讲稿共113页把碳纳米管用作转子的纳米马达第35页，本讲稿共113页n n纳米膜材料 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。第36页，本讲稿共113页纳米固体材料n n 纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗

29、粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒第37页，本讲稿共113页纳米材料分类2.按组成可分为：n n 金属纳米材料n n 半导体纳米材料n n 有机和高分子纳米材料n n 复合纳米材料：无机粒子与有机高分子复合材料，无机半导体的核壳结构第38页，本讲稿共113页n n传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分子，例如，分子，例如，1 1克水包含了约克水包含了约3.346*3.346*1022个水分个水分子；因此通常所测得的体系的各种物理化学性质都是子；因此通常所测得的体系的各种物理化学性质都是大量粒子的

30、平均行为。实际上，热力学规律成立的前大量粒子的平均行为。实际上，热力学规律成立的前提条件就是由大量粒子组成的体系；那么，当研究对提条件就是由大量粒子组成的体系；那么，当研究对象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的微观世界，变成象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的微观世界，变成一个原子或一个分子时，是否还会遵循我们从课本上一个原子或一个分子时，是否还会遵循我们从课本上学到的传统理论和规律呢？学到的传统理论和规律呢？第二节、纳米材料的特性第二节、纳米材料的特性纳米尺度的物质与宏观物质一样吗？纳米尺度的物质与宏观物质一样吗？第39页，本讲稿共113页第二节、纳米材料的特性第二节、纳米材料的特性我们知道油水是不

31、相溶的，除非加入表面活我们知道油水是不相溶的，除非加入表面活性剂，你没有办法把它混在一起。性剂，你没有办法把它混在一起。但是如果到了纳米尺度上呢？但是如果到了纳米尺度上呢？第40页，本讲稿共113页第二节、纳米材料的特性n n从通常的关于微观和宏观的观点看，纳米从通常的关于微观和宏观的观点看，纳米级这样的系统既非典型的微观系统亦非典级这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。型的宏观系统，是一种典型的介观系统。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学

32、、电学、磁学、力学以及它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。显著的不同。第41页，本讲稿共113页纳米材料的特性1.表面效应表面效应 2.小尺寸效应小尺寸效应 3.量子尺寸效应量子尺寸效应 4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应第42页，本讲稿共113页1.1.表面效应表面效应n n 表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒数之比随着纳

33、米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。子性能的变化。子性能的变化。子性能的变化。n n纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同部原子有所不同部原子有所不同部

34、原子有所不同,存在许多悬空键存在许多悬空键存在许多悬空键存在许多悬空键,并具有不饱和性并具有不饱和性并具有不饱和性并具有不饱和性,因因因因而极易与其他原子相结合而趋于稳定而极易与其他原子相结合而趋于稳定而极易与其他原子相结合而趋于稳定而极易与其他原子相结合而趋于稳定,所以所以所以所以,具有很高具有很高具有很高具有很高的的的的化学活性化学活性化学活性化学活性.n n利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂。的催化剂。的催化剂。的催化剂。第43页，本讲稿共

35、113页粒子的大小与表面原子数的关系直径直径/nm/nm1 15 51010100100原子总数原子总数 N N3030400040003000030000 300000300000表面原子百分比表面原子百分比9999404020202 2第44页，本讲稿共113页表面效应表面效应第45页，本讲稿共113页纳米颗粒的表面效应活性n n超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。如要粒，一遇到空气就会产生激

36、烈的燃烧，发生爆炸。如要防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其缓慢防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。n n用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。烈性炸药。第46页，本讲稿共113页2.小尺寸效应n n 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒随着颗粒

37、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性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系小，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。

38、列新奇的性质。列新奇的性质。列新奇的性质。（1 1 1 1）特殊的光学性质特殊的光学性质特殊的光学性质特殊的光学性质（2 2 2 2）特殊的热学性质特殊的热学性质特殊的热学性质特殊的热学性质（3 3 3 3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4 4 4 4）特殊的力学性质特殊的力学性质特殊的力学性质特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。学特性以及化学性能等方面。学特性以及

39、化学性能等方面。学特性以及化学性能等方面。第47页，本讲稿共113页小尺寸效应特殊的光学性质颜色n n特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。上，所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑，银白色的铂变成铂黑。由此尺寸越小，颜色越黑，银白色的铂变成铂黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于于1%1%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特，大

40、约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。也有可能应用于红外率地将太阳能转变为热能、电能。也有可能应用于红外敏感原件、红外隐身技术等。敏感原件、红外隐身技术等。第48页，本讲稿共113页小尺寸效应超微纳米颗粒的不稳定性n n超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。若超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径2nm2nm）进行）进行观察，发现这些颗粒观察，发现这些颗粒没有固定的形态没有固定的形态没

41、有固定的形态没有固定的形态，随着时间的变化，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体、二十会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，有不同于液体，是面体等），它既不同于一般固体，有不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于10nm10nm后才看不到后才看不到这种颗粒结构的不稳定性。这种颗粒结构的不稳定性。第49页，本讲稿共113页小尺寸效应纳米微粒的熔点降低n n纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳纳米微粒的熔点比

42、常规粉体低得多。由于颗粒小，纳纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些原子近邻配米微粒的表面能高，表面原子数多，这些原子近邻配米微粒的表面能高，表面原子数多，这些原子近邻配米微粒的表面能高，表面原子数多，这些原子近邻配位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米纳米粒子熔

43、化时所增加的内能小得多，这就使得纳米纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒的熔点急剧下降。例如，大块铅的熔点为微粒的熔点急剧下降。例如，大块铅的熔点为微粒的熔点急剧下降。例如，大块铅的熔点为微粒的熔点急剧下降。例如，大块铅的熔点为600K600K，而，而，而，而20nm 20nm 球形铅的熔点低于球形铅的熔点低于球形铅的熔点低于球形铅的熔点低于288K288K，金的熔点通常，金的熔点通常，金的熔点通常，金的熔点通常是多摄氏度，而晶粒尺度为纳米的金微粒，其是多摄氏度，而晶粒尺度为纳米的金微粒，其是多摄氏度，而晶粒尺度为纳米的金微粒，其是多摄氏度，而晶粒尺度为纳米的金微粒，其熔点仅为普

44、通金的一半熔点仅为普通金的一半熔点仅为普通金的一半熔点仅为普通金的一半 第50页，本讲稿共113页3.量子尺寸效应n n微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移动，这种现象称为量子级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。尺寸效应。n n对于宏观物体包含无限个原子，对于宏观物体包含无限个原子，NN，于是，于是00，即宏观，即宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，N N值很小，能级间距将发生分裂，

45、这就导致纳米微粒磁、值很小，能级间距将发生分裂，这就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性不同，从而产光、声、热、电以及超导电性与宏观特性不同，从而产生量子尺寸效应。生量子尺寸效应。n n例如，温度为例如，温度为1K1K时，直径小于时，直径小于14nm 14nm 的银纳米颗粒会变成的银纳米颗粒会变成绝缘体。绝缘体。第51页，本讲稿共113页4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而

46、产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。-第52页，本讲稿共113页经典理论和量子理论的差别第53页，本讲稿共113页第三节第三节纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术n n为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。排材料，这一

47、技术被称为纳米加工技术。排材料，这一技术被称为纳米加工技术。排材料，这一技术被称为纳米加工技术。n n纳米材料的制备科学在当前的纳米技术研究中占据着极为关键的纳米材料的制备科学在当前的纳米技术研究中占据着极为关键的纳米材料的制备科学在当前的纳米技术研究中占据着极为关键的纳米材料的制备科学在当前的纳米技术研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。法两大类。法两大类。法两大类。第54页，

48、本讲稿共113页纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术n n实际上，一方面纳米加工技术是纳米科学的重要基础，实际上，一方面纳米加工技术是纳米科学的重要基础，另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说，一般认为物体之间相互楚的纳米科学问题。比如说，一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力就越小。在纳米物体表面越光滑，它们之间的摩擦力就越小。在纳米世界里，材料表面很小，相互之间距离很近，以至于世界里，材料表面很小，相互之间距

49、离很近，以至于使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此，在纳米世界内，互运动的阻力。因此，在纳米世界内，所有的加工都所有的加工都所有的加工都所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑必须在原子尺寸的层面上考虑必须在原子尺寸的层面上考虑必须在原子尺寸的层面上考虑。第55页，本讲稿共113页一、物理方法一、物理方法1 1真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体

50、，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。度可控，但技术设备要求高。度可控，但技术设备要求高。度可控，但技术设备要求高。2 2物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗