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1、1本讲稿第一页，共六十五页参参 考考 资资 料料 v化学功能材料概论化学功能材料概论 史鸿鑫；王农跃；项斌史鸿鑫；王农跃；项斌 等编等编 化学工业出版社化学工业出版社v纳米材料学概论纳米材料学概论 徐云龙；赵崇军；钱秀珍徐云龙；赵崇军；钱秀珍 等编等编 华东理工大学出版社华东理工大学出版社2本讲稿第二页，共六十五页主主 要要 内内 容容v概述概述v纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应v纳米复合材料纳米复合材料3本讲稿第三页，共六十五页人类对客观世界的认识的两个人类对客观世界的认识的两个层次层次肉眼观察的范围肉眼观察的范围宏观领域宏观领域（Macroscopical Domain）分子、原子为最

2、大起点分子、原子为最大起点-无限的微观领域无限的微观领域肉眼可见最小物体为肉眼可见最小物体为下限下限-无限大的宇无限大的宇宙天体的宏观领域宙天体的宏观领域微观领域微观领域（Microcosmic Domain）介观领域介观领域4本讲稿第四页，共六十五页介观领域介观领域的奇异：的奇异：Size100nm1nmNanoNano:量子效应、物质的局限性、巨大的量子效应、物质的局限性、巨大的表面及界面效应表面及界面效应物质性质发生质变物质性质发生质变,既不同于宏观物既不同于宏观物体，也不同于单个孤立的原子体，也不同于单个孤立的原子纳米是一个长度单位纳米是一个长度单位5本讲稿第五页，共六十五页一一.纳米

3、科技的起源：纳米科技的起源：著名的物理学家、诺贝尔著名的物理学家、诺贝尔获得者：查理德获得者：查理德.费曼费曼（Richard Feynman）1918.5.111988.2.15，美國人。提，美國人。提出了费曼图、费曼规则和重正化的计出了费曼图、费曼规则和重正化的计算方法，这些是研究量子电动力学和算方法，这些是研究量子电动力学和粒子物理学的重要工具粒子物理学的重要工具 纳米科技纳米科技6本讲稿第六页，共六十五页费曼费曼 最早提出最早提出 纳米尺度上科学和技术问题纳米尺度上科学和技术问题1959年一次著名演讲预言：年一次著名演讲预言：“如果人类能够在原子如果人类能够在原子/分子的尺度上来分子的

4、尺度上来加工材料、制备装置，将有许多激动人加工材料、制备装置，将有许多激动人心的新发现；人们需要新型的微型化仪心的新发现；人们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学将变成根据人们意志逐个地准确放化学将变成根据人们意志逐个地准确放置原子的问题。置原子的问题。”7本讲稿第七页，共六十五页上个世纪上个世纪9090年代后，纳米科技年代后，纳米科技得到科技界广泛的关注！得到科技界广泛的关注！美国美国IBMIBM公司的首席科学家公司的首席科学家阿姆阿姆斯壮斯壮 预言：预言：“正像正像2020世纪世纪7070年代微电子技术年代微电子技术产生信息革命一样

5、，纳米科学技术产生信息革命一样，纳米科学技术将成为将成为2121世纪信息时代的核心！世纪信息时代的核心！”8本讲稿第八页，共六十五页二二.纳米科技的研究内容：纳米科技的研究内容：纳米究竟有多大？1 nm1 nm 相当于1010个氢原子个氢原子紧密地排列在一起所具有的长度！1 nm=1010-9-9 m m细如发丝：细如发丝：头发一般直径：头发一般直径：202050 50 m m单个细菌：单个细菌：显微镜观察：显微镜观察：5um5um9本讲稿第九页，共六十五页纳米科技纳米科技定义：在纳米尺度在纳米尺度（1 1100nm100nm）上研究物质的特上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一性

6、和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子和分子进行操作和加工尺度范围内对原子和分子进行操作和加工的多学科交叉的科学和技术。的多学科交叉的科学和技术。10本讲稿第十页，共六十五页纳米科技纳米科技的研究内容：1.1.创造和制备优异性能的纳米材料创造和制备优异性能的纳米材料2.2.设计和制备各种纳米器件和装置设计和制备各种纳米器件和装置3.3.探测与分析纳米区域的性质和现象探测与分析纳米区域的性质和现象4.4.以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。功能的产品。11本讲稿第十一页，共六十五页纳米科技纳米科技的研究与应用领域：纳米科技纳米科技纳

7、米科学纳米科学纳米科技纳米科技纳米物理学纳米物理学纳米化学纳米化学纳米材料学纳米材料学纳米生物学纳米生物学纳米医学纳米医学纳米器件纳米器件纳米测量纳米测量纳米材料纳米材料纳米加工纳米加工纳米电子器件纳米电子器件纳米传感器纳米传感器纳米芯片纳米芯片纳米机械纳米机械纳米探针纳米探针纳米扫描纳米扫描零维纳米材料零维纳米材料一维纳米材料一维纳米材料二维纳米材料二维纳米材料三维纳米材料三维纳米材料纳米操纵纳米操纵纳米光刻纳米光刻纳米压痕纳米压痕12本讲稿第十二页，共六十五页纳米材料学（纳米材料学（NanomaterialsNanomaterials）：）：研究纳米材料的设计、制备、性能和应用的一门纳米应

8、用科学。研究纳米材料的设计、制备、性能和应用的一门纳米应用科学。尺寸大小：尺寸大小：（1 1）影响物质中电子的波动性；原子的相互作用）影响物质中电子的波动性；原子的相互作用（2 2）不改变化学成分，可以调节尺寸控制材料的基本性质，）不改变化学成分，可以调节尺寸控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容及颜色等如熔点、磁性、电容及颜色等13本讲稿第十三页，共六十五页三、三、纳米科技的研究意义纳米科技的研究意义梦想：梦想：利用物质在纳米尺度上表现出来利用物质在纳米尺度上表现出来的特性，直接以原子、分子构筑的特性，直接以原子、分子构筑和制造具有特定功能的产品，实和制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞

9、跃。现生产方式的飞跃。14本讲稿第十四页，共六十五页重视：重视：1.1.美国：美国：美国美国商业周刊商业周刊将纳米科技列为将纳米科技列为2121世纪可能取得重要突破的三世纪可能取得重要突破的三个领域之一（其他两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。个领域之一（其他两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。从从19991999年开始，美国政府决定把纳米科技研究列入年开始，美国政府决定把纳米科技研究列入2121世纪十一世纪十一个关键领域之一。个关键领域之一。2.2.日本：日本：日本政府宣布，将纳米技术列为新五年科技基本计划的研日本政府宣布，将纳米技术列为新五年科技基本计划的研发重点，并实

10、行发重点，并实行“管产学管产学”联合攻关，加速这一高新技术的开发。联合攻关，加速这一高新技术的开发。15本讲稿第十五页，共六十五页3.3.德国：德国：德国政府宣布，将纳米技术列为新五年科技基本计划的研德国政府宣布，将纳米技术列为新五年科技基本计划的研发重点，并实行发重点，并实行“管产学管产学”联合攻关，加速这一高新技术的开发。联合攻关，加速这一高新技术的开发。4.4.英国：英国：英国贸工部公布英国贸工部公布国家科学与创新白皮书国家科学与创新白皮书，宣布增加，宣布增加2.52.5亿亿英镑预算，以加强包括纳米科技在内的四大领域的研究。英镑预算，以加强包括纳米科技在内的四大领域的研究。5.5.其他：

11、其他：联合国的联合国的1919家著名研究机构，建立专门的纳米科技研究网家著名研究机构，建立专门的纳米科技研究网16本讲稿第十六页，共六十五页广义地讲：纳米材料是指在广义地讲：纳米材料是指在三维空间中至三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm1-100nm）或或由它们作为基本单元由它们作为基本单元构成的宏观材料。构成的宏观材料。一一.纳米材料的研究对象：纳米材料的研究对象：纳米材料纳米材料17本讲稿第十七页，共六十五页二二.纳米材料的研究内容：纳米材料的研究内容：1.1.纳米材料制备中的科学技术问题。纳米材料制备中的科学技术问题。2.2.纳米材料结构表征与评估

12、方法。纳米材料结构表征与评估方法。3.3.纳米材料物理化学性质的测试方法。纳米材料物理化学性质的测试方法。18本讲稿第十八页，共六十五页1.1.纳米材料制备纳米材料制备实验室制备技术较为成熟实验室制备技术较为成熟工业制备技术严重滞后工业制备技术严重滞后1.1.根据制备原料状态分：固体法、液体法及气体法根据制备原料状态分：固体法、液体法及气体法三种分类方法三种分类方法2.2.按反应物状态分：干法、湿法按反应物状态分：干法、湿法3.3.物理法、化学法和综合法物理法、化学法和综合法19本讲稿第十九页，共六十五页 物理法、化学法和综合法物理法、化学法和综合法 细分细分物理法：物理法：蒸汽冷凝法（蒸汽冷

13、凝法（Vapour CondensationVapour Condensation）爆炸法（爆炸法（blastingblasting）电火花法电火花法离子溅射法（离子溅射法（Ion SplashingIon Splashing）机械研磨法机械研磨法低温等离子体法（低温等离子体法（Low Temperature PlasmLow Temperature Plasm）20本讲稿第二十页，共六十五页化学法：化学法：水热法（水热法（Hydrothermal MethodHydrothermal Method）水解法（水解法（Hydrolysis MethodHydrolysis Method）熔融法（

14、熔融法（Melting MethodMelting Method）化学法由于成本低、易于连续生产，最适于纳米化学法由于成本低、易于连续生产，最适于纳米材料的大规模化制备。材料的大规模化制备。纳米材料的制备方法很多，纳米材料的制备方法很多，不同的方法适合与不同材料的制备不同的方法适合与不同材料的制备，同一组成的材料采用不同的制备工艺可以获得不同形态和特同一组成的材料采用不同的制备工艺可以获得不同形态和特性的纳米结构性的纳米结构。21本讲稿第二十一页，共六十五页2.2.纳米材料表征纳米材料表征1.1.紫外紫外-可见光光谱可见光光谱（Ultraviolet Visible SpectrumUltra

15、violet Visible Spectrum，UV-UV-VisVis）可观察可观察能级结构的变化能级结构的变化，通过，通过吸收峰位置的变化吸收峰位置的变化可以考察能级可以考察能级的变化的变化表征方法很多，很多新表征表征方法很多，很多新表征方法相继出现，对纳米科学方法相继出现，对纳米科学的发展起到推动作用的发展起到推动作用2.2.扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STMSTM）STMSTM具有较高的分辨率，可直接观察纳米薄膜表面的近原子像，具有较高的分辨率，可直接观察纳米薄膜表面的近原子像，如观察纳米硅薄膜、纳米晶体表面。如观察纳米硅薄膜、纳米晶体表面。22本讲稿第二十二页，共六十五页3.3.透

16、射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy,TEMTransmission Electron Microscopy,TEM）高分辨高分辨TEMTEM为直接观为直接观察纳米微晶结构察纳米微晶结构，尤其是对，尤其是对界面原子结构界面原子结构提供了有效提供了有效手段；它可观察手段；它可观察微小颗粒固体外观微小颗粒固体外观。4.4.光声光谱光声光谱（Photo-acoustic SpectroscopyPhoto-acoustic Spectroscopy）光声光谱提供光声光谱提供带隙位移及能量变化带隙位移及能量变化信息，主要是通过信息，主要是通过吸收

17、峰位移吸收峰位移体现的。体现的。5.5.拉曼光谱拉曼光谱（Roman SpectroscopyRoman Spectroscopy）揭示了材料中的揭示了材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的关系，提供等方面的关系，提供相应信息，可用作纳米材料的分析。相应信息，可用作纳米材料的分析。根据纳米固体材料的拉曼光谱进行计算，可望能够得到根据纳米固体材料的拉曼光谱进行计算，可望能够得到纳米表面原子纳米表面原子的具体位置的具体位置。23本讲稿第二十三页，共六十五页6.6.广延广延X X射线吸收精细结构光谱射线吸收精细结构光谱（Extended X-ray Abso

18、rption Fine Extended X-ray Absorption Fine StructureStructure，EXAFSEXAFS）EXAFSEXAFS能提供能提供X X射线射线吸收边界之外所发射的精细光谱吸收边界之外所发射的精细光谱，该法已成为分析，该法已成为分析缺少长程有序体系的有效表征方法缺少长程有序体系的有效表征方法它能获取有关它能获取有关配位原子种类、配位数、键长、原子间距配位原子种类、配位数、键长、原子间距等吸收等吸收X X射线的射线的关于关于原子化学环境原子化学环境方面的信息方面的信息国内尚缺乏此类表征仪器。国内尚缺乏此类表征仪器。24本讲稿第二十四页，共六十五页7

19、.7.傅里叶变换远红外光谱傅里叶变换远红外光谱（Fourier Transform Infrared Fourier Transform Infrared SpectroscopySpectroscopy，FTIRFTIR）：）：FTIRFTIR检验检验金属离子与非金属离子成键金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位金属离子的配位等化学环境情况等化学环境情况及变化，而及变化，而红外、远红外分析精细结构红外、远红外分析精细结构也很有效。也很有效。25本讲稿第二十五页，共六十五页纳米材料的机遇和挑战纳米材料的机遇和挑战在充满生机的在充满生机的2121世纪，信息、生物技术、能源、环境、先世纪，信息、

20、生物技术、能源、环境、先进的制造技术和国防的高速发展进的制造技术和国防的高速发展一一.纳米化机遇：纳米化机遇：对材料提出新要求：对材料提出新要求：1.1.元件的小型化、智能化、高集成、高密度储存和超元件的小型化、智能化、高集成、高密度储存和超快运输等对材料尺寸要求越来越小；快运输等对材料尺寸要求越来越小；2.2.航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高性能要求越来越高纳米科技竞争中，我国起步不算晚，这是我国赶上世纳米科技竞争中，我国起步不算晚，这是我国赶上世界经济发展的又一不可多得的界经济发展的又一不可多得的机遇机遇26本讲稿第二

21、十六页，共六十五页二二.纳米安全性：纳米安全性：安全性的争论安全性的争论有害：有害：1.19971.1997年，英国牛津大学和蒙特利尔大学的科学家发现防年，英国牛津大学和蒙特利尔大学的科学家发现防晒霜中二氧化钛晒霜中二氧化钛/氧化锌纳米颗粒能引发皮肤细胞的自氧化锌纳米颗粒能引发皮肤细胞的自由基，破坏由基，破坏DNADNA。2.20022.2002年年3 3月，美国斯坦福大学月，美国斯坦福大学Mark WiesnerMark Wiesner博士发现博士发现功能纳米颗粒在实验动物的器官中聚集，并被细胞所功能纳米颗粒在实验动物的器官中聚集，并被细胞所吸收。吸收。27本讲稿第二十七页，共六十五页有害：

22、有害：3.3.纽约罗切斯特大学（纽约罗切斯特大学（Rochester Rochester UniversityUniversity）医学和牙科学院的病毒学家）医学和牙科学院的病毒学家OberdorsterOberdorster发现：发现：在含有直径为在含有直径为20nm20nm的的“特氟龙特氟龙”塑料塑料（聚四氟乙烯）颗粒的空气中生活了（聚四氟乙烯）颗粒的空气中生活了15min15min的大多数实验鼠会在随后的大多数实验鼠会在随后4h4h内死亡；内死亡；而暴露在含直径而暴露在含直径120nm120nm颗粒（相当于细菌颗粒（相当于细菌大小）的空气中的对照组却安然无恙。大小）的空气中的对照组却安然

23、无恙。28本讲稿第二十八页，共六十五页无害：无害：1.Thomas Jefferson1.Thomas Jefferson大学大学KimmelKimmel癌症中心和癌症中心和JeffersonJefferson医学院的科学家利用透明的斑马鱼晶胚证明：医学院的科学家利用透明的斑马鱼晶胚证明：纳米颗粒（富勒烯衍生物）能帮助保护正常组织免纳米颗粒（富勒烯衍生物）能帮助保护正常组织免受辐射损伤。受辐射损伤。29本讲稿第二十九页，共六十五页无害：无害：2.2.东京大学、日本电气公司等机构证实，在使用量正常东京大学、日本电气公司等机构证实，在使用量正常的情况下，不含金属等杂志的纯净碳纳米管对人体细胞的情况

24、下，不含金属等杂志的纯净碳纳米管对人体细胞基本无害。基本无害。具体实验：具体实验：制成不含杂质且直径统一在制成不含杂质且直径统一在100100纳米的纳米的“标准物质标准物质”，把，把碳纳米管放进人体细胞培养液中使得它们溶解，观察碳纳米管放进人体细胞培养液中使得它们溶解，观察其是否妨碍细胞分裂其是否妨碍细胞分裂结果显示：结果显示：当当1L1L培养液混有培养液混有0.1g0.1g碳纳米管时，细胞分裂不受影响；碳纳米管时，细胞分裂不受影响；当培养液中的碳纳米管含量当培养液中的碳纳米管含量1g/L1g/L的极高浓度时，仍然有的极高浓度时，仍然有75%75%的细胞正常分裂。的细胞正常分裂。30本讲稿第三

25、十页，共六十五页纵观以上研究进展，纵观以上研究进展，由于存在一些方法学的问题，由于存在一些方法学的问题，仍然不能证明人造纳米材料一定有害，特别不能说仍然不能证明人造纳米材料一定有害，特别不能说明存在的问题是由纳米材料本身造成的。明存在的问题是由纳米材料本身造成的。31本讲稿第三十一页，共六十五页Questions：第二节第二节 纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应1.纳米的八个基本效应？不同纳米效应适用的纳米的八个基本效应？不同纳米效应适用的对象？对象？32本讲稿第三十二页，共六十五页2.纳米材料的特征与纳米尺度之间的对应关系？纳米材料的特征与纳米尺度之间的对应关系？3.如何应用纳米效应的基本

26、原理分析和解释纳米如何应用纳米效应的基本原理分析和解释纳米材料的新奇现象与特殊本质？材料的新奇现象与特殊本质？4.纳米隐身材料的隐身原理及应用？纳米隐身材料的隐身原理及应用？33本讲稿第三十三页，共六十五页一、一、表表 面面 效效 应应定义：定义：表面效应又称界面效应，它是指纳米粒子的表面效应又称界面效应，它是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后所引起的性质上的变化剧增大后所引起的性质上的变化粒径粒径/nm表面原子相对表面原子相对于总原子数的于总原子数的比例比例/100%2010110034本讲稿第三十四页，共六十五页机理：机理：随着

27、纳米粒子尺寸的减小，处于表面的原子数越随着纳米粒子尺寸的减小，处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。纳米颗粒的表面来越多，同时表面能迅速增加。纳米颗粒的表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱和性，易与的原子，存在许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定。其他原子相结合而稳定。35本讲稿第三十五页，共六十五页机理导致的性质的变化：机理导致的性质的变化：纳米晶粒尺寸减小的结果导致了其纳米晶粒尺寸减小的结果导致了其表面积、表面表面积、表面能及表面结合能能及表面结合能都迅速增大，进而使纳米晶粒都迅速增大

28、，进而使纳米晶粒表现出表现出很高的化学活性很高的化学活性。并且表面原子的活性也会引起表面并且表面原子的活性也会引起表面电子自旋构象电子自旋构象电子能谱电子能谱的变化，从而使纳米粒子具有的变化，从而使纳米粒子具有低密度、低密度、低流动速率、高吸气体、高混合性低流动速率、高吸气体、高混合性等特点。等特点。36本讲稿第三十六页，共六十五页举例：举例：1.金属纳米粒子暴露在空气中会燃烧。金属纳米粒子暴露在空气中会燃烧。2.无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。气体进行反应。37本讲稿第三十七页，共六十五页二二 小尺寸效应（小尺寸效应（Small

29、size effect）随着颗粒尺寸的变小所引起的宏观物理性质的随着颗粒尺寸的变小所引起的宏观物理性质的变化。变化。定义定义:（体积效应）（体积效应）38本讲稿第三十八页，共六十五页一）特殊的热性质：一）特殊的热性质：熔点：熔点：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后发现其熔点将显著降低。的，超细微化后发现其熔点将显著降低。39本讲稿第三十九页，共六十五页举例：举例：1.金的常规熔点为金的常规熔点为1064 C，当颗粒尺寸减小到，当颗粒尺寸减小到2 nm时，熔点仅为时，熔点仅为500 C左右。左右。2.银在粒子尺度为银在粒子尺度为150

30、nm以上时，熔点不变，以上时，熔点不变，为为960.3 C，即通常的熔点；然后银粒子的熔点，即通常的熔点；然后银粒子的熔点随尺寸的变小而下降，当粒子尺度下降到随尺寸的变小而下降，当粒子尺度下降到5nm时，时，熔点为熔点为100 C。40本讲稿第四十页，共六十五页举例：举例：3.熔点下降对冶金工业的吸引：熔点下降对冶金工业的吸引：在钨颗粒中附加在钨颗粒中附加0.1%-0.5%（质量分数）的超微（质量分数）的超微镍颗粒后，可使烧结温度从镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到降低到1200-1300 C.特殊的热力学性质：特殊的热力学性质：在纳米尺度，热运动的涨落和布朗运动将起到重要的作用。因此在纳

31、米尺度，热运动的涨落和布朗运动将起到重要的作用。因此许多热力学性质，包括相变和许多热力学性质，包括相变和“集体现象集体现象”（Collective phenomena），如铁磁性（），如铁磁性（Ferromagnetism）、铁电性）、铁电性（Ferroelectricity）、超导性（）、超导性（Superconductivity）和熔）和熔点等都与粒子尺度有重要关系。点等都与粒子尺度有重要关系。41本讲稿第四十一页，共六十五页二）特殊的磁学性质：二）特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同。例如：例如：1.大块的纯铁矫顽力约为大块的纯铁

32、矫顽力约为80A/m,而当颗粒尺寸减而当颗粒尺寸减小到小到20nm以下时，其矫顽力可增加以下时，其矫顽力可增加1000倍；倍；若进一步减小其尺寸，当颗粒尺寸小于若进一步减小其尺寸，当颗粒尺寸小于6nm时，时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性（Superparamagnetism）42本讲稿第四十二页，共六十五页例如：例如：2.利用磁性纳米微粒导航：利用磁性纳米微粒导航：美国科学家对东海岸福罗里达的海龟进行了美国科学家对东海岸福罗里达的海龟进行了长期研究，发现了一个十分有趣的现象：海长期研究，发现了一个十分有趣的现象：海龟通常在福罗里达的海边上产卵，幼小的

33、海龟通常在福罗里达的海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近的海域生活，从福罗里达近英国的小岛附近的海域生活，从福罗里达到这个岛屿的海面再回到福罗里达来回的路到这个岛屿的海面再回到福罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要5-6年年的时间。这样准确无误地航行靠什么导航？的时间。这样准确无误地航行靠什么导航？美国的科学家发现海龟头部有磁性的纳米微美国的科学家发现海龟头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万公里的迁移。完成几

34、万公里的迁移。http:/ Level）附近）附近电子能级电子能级在高温或在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，但当粒子尺寸下降到宏观尺寸情况下一般是连续的，但当粒子尺寸下降到某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连准连续续变为变为离散能级离散能级的现象的现象;纳米半导体微粒纳米半导体微粒存在存在不连续不连续的最高被占据分子轨道和最的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道低未被占据的分子轨道能级能级而使而使能隙能隙（Energy Gap）变宽变宽的现象均称为量子尺寸效应。的现象均称为量子尺寸效应。46本讲稿第四十六页，共六十五页 当当能级间距能

35、级间距大于大于热能、磁能、静磁能、热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时，这时必须时必须要考虑量子尺寸效应要考虑量子尺寸效应，这会导致，这会导致纳米纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同特性有着显著的不同，如，如光谱线频移、导体光谱线频移、导体变绝缘体变绝缘体。47本讲稿第四十七页，共六十五页光谱线频移：光谱线频移：微粒下降到纳米尺寸时，费米能级附近的电微粒下降到纳米尺寸时，费米能级附近的电子能级由子能级由准连续准连续能级变为能级变为分立分立能级，能级，吸收光谱吸收光谱阈值向阈

36、值向短波方向移动短波方向移动。波长波长/nm吸光度吸光度CdSeCdSe纳米粒子的纳米粒子的吸收光谱示意图吸收光谱示意图11.5nm11.5nm1.2nm1.2nm48本讲稿第四十八页，共六十五页导电性能的转变：导电性能的转变：用久保关于能级间距的公式，估计用久保关于能级间距的公式，估计Ag微粒在微粒在1K时，当粒径小于时，当粒径小于20nm时，时，Ag纳米纳米微粒变为绝缘体微粒变为绝缘体49本讲稿第四十九页，共六十五页四、四、宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应定义：定义：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的近年来，人

37、们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度磁化强度，量子相干器件中的量子相干器件中的磁通量磁通量等亦具有隧道效应，称为等亦具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应。50本讲稿第五十页，共六十五页研究意义：研究意义：1.它限定了磁带、磁盘进行它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限信息存储的时间极限。2.量子尺寸效应、隧道效应将会是量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基未来微电子器件的基础础，或者它们，或者它们确定了确定了现存微电子器件进一步现存微电子器件进一步微型化微型化的极限的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。考虑上述的

38、量子效应。例如：例如：在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近接近电子波长电子波长时，电子就通过时，电子就通过隧道效应隧道效应而而溢出器件溢出器件，使，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概0.25um。51本讲稿第五十一页，共六十五页应用实例应用实例例子：例子：1991年海湾战争，美国首次使用，由于飞机的机年海湾战争，美国首次使用，由于飞机的机身表面身表面涂覆了多种纳米尺度涂覆了多种纳米尺度的红外和微波隐身的红外和微波隐身材料，飞机对雷达电磁波优异的宽频带微波吸材料，飞机对雷达电磁波优异的宽频带微波吸收能力和散射

39、能力，躲避了伊拉克雷达和红外收能力和散射能力，躲避了伊拉克雷达和红外探测器的监视。通过激子制导或巡航导弹准确探测器的监视。通过激子制导或巡航导弹准确击中了伊拉克击中了伊拉克95%的重要军事基地，美国的重要军事基地，美国F117A隐身飞机无一受损。隐身飞机无一受损。52本讲稿第五十二页，共六十五页原理：原理：纳米微粒纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长尺寸远小于红外及雷达波波长，比比表面积比常规粗颗粒大表面积比常规粗颗粒大3-4个数量级个数量级。导致对。导致对红外、电磁波段的红外、电磁波段的透过率和吸收率透过率和吸收率比常规宏比常规宏观材料观材料大大得多，使得红外探测器及雷达得到得多，使得红外探测

40、器及雷达得到的的反射信号很微弱反射信号很微弱，很难发现被探测目标，很难发现被探测目标，起到起到隐身隐身作用。作用。53本讲稿第五十三页，共六十五页Questions：纳米复合材料的功能设计、纳米复合材料的功能设计、制备方法、特性？制备方法、特性？纳米复合材料纳米复合材料54本讲稿第五十四页，共六十五页纳米复合材料纳米复合材料复合材料复合材料是由是由两种或两种以上性质不同的材料两种或两种以上性质不同的材料，通过，通过各种工艺手段各种工艺手段组合组合而成的复合体。而成的复合体。复合材料复合材料由于各组分材料的由于各组分材料的协同作用协同作用，因而兼具，因而兼具刚度大、强度高、刚度大、强度高、质量轻

41、质量轻等等单一材料无法比拟单一材料无法比拟的优异性能。的优异性能。复合材料的结构是以一个相为连续相（称为复合材料的结构是以一个相为连续相（称为基体基体），而另一相是以一），而另一相是以一定的形态分布于连续相中（称为定的形态分布于连续相中（称为增强体增强体）。如果增强体是纳米颗粒、）。如果增强体是纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等纳米结构单元，那么就称为纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等纳米结构单元，那么就称为纳米纳米复合材料复合材料。55本讲稿第五十五页，共六十五页纳米复合纳米复合材料：材料：按基体种按基体种类分类分按增强体按增强体种类分种类分 分类：分类：金属基金属基纳米复合材料纳米复合材

42、料陶瓷基陶瓷基纳米复合材料纳米复合材料高分子基高分子基纳米复合材料纳米复合材料颗粒颗粒增强纳米复合材料增强纳米复合材料晶须晶须增强纳米复合材料增强纳米复合材料纤维纤维增强纳米复合材料增强纳米复合材料按基体形按基体形状分状分 结构结构纳米复合材料纳米复合材料功能功能纳米复合材料纳米复合材料智能智能纳米复合材料纳米复合材料分类：分类：纳米复合纳米复合材料：材料：一、一、纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类分类：分类：56本讲稿第五十六页，共六十五页设计思路：设计思路：二、二、纳米复合材料的设计纳米复合材料的设计纳米复合材料因汇聚纳米材料和复合纳米复合材料因汇聚纳米材料和复合材料两者的优势，而成为未

43、来新材料材料两者的优势，而成为未来新材料设计的设计的首选首选对象。对象。在纳米材料设计中，主要关注纳米材在纳米材料设计中，主要关注纳米材料的功能设计、合成设计和稳定性设料的功能设计、合成设计和稳定性设计，力求解决复合材料组分的选择、计，力求解决复合材料组分的选择、复合时的混和与分散、复合工艺、复复合时的混和与分散、复合工艺、复合材料的界面作用及复合材料物理稳合材料的界面作用及复合材料物理稳定性等问题，最终获得高性能、多功定性等问题，最终获得高性能、多功能的纳米复合材料。能的纳米复合材料。57本讲稿第五十七页，共六十五页一：纳米复合材料的功能设计一：纳米复合材料的功能设计功能设计，就是赋予材料以

44、一次功能或二次功能特性。功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性。以聚合物基纳米复合材料为例来说明：以聚合物基纳米复合材料为例来说明：步骤一：步骤一：增强体材料的选择：增强体材料的选择：依据设计意图选择。依据设计意图选择。例如例如:为了赋予复合材料超顺磁性，可以选择铁或铁系氧化物等单一或复合型纳米材为了赋予复合材料超顺磁性，可以选择铁或铁系氧化物等单一或复合型纳米材料；料；为了赋予复合材料发光特性，可以选择含稀有金属铕的钛系氧化物等纳米为了赋予复合材料发光特性，可以选择含稀有金属铕的钛系氧化物等纳米材料材料步骤二：步骤二：基体聚合物的选择：基体聚合物的选择：依据复合材料的适用环境选择。依

45、据复合材料的适用环境选择。例如：如高温环境，必须选择聚酰亚胺等耐高温的聚合物例如：如高温环境，必须选择聚酰亚胺等耐高温的聚合物58本讲稿第五十八页，共六十五页二：纳米复合材料的合成设计二：纳米复合材料的合成设计合成设计，就是以最简单、最简便的手段获得纳米级均匀分散的复合成设计，就是以最简单、最简便的手段获得纳米级均匀分散的复合材料的科学方法论。合材料的科学方法论。合成设计中，最关心的是纳米材料的粒度与分散度。合成设计中，最关心的是纳米材料的粒度与分散度。目前纳米复合材料的合成发展状况看，主要有目前纳米复合材料的合成发展状况看，主要有4种方法，即种方法，即溶胶溶胶凝胶法、插层法、共混法和填充法。

46、凝胶法、插层法、共混法和填充法。59本讲稿第五十九页，共六十五页溶胶凝胶法溶胶凝胶法：得到的复合材料中：得到的复合材料中纳米颗粒具有较小的粒度和较纳米颗粒具有较小的粒度和较均匀的分散度均匀的分散度，但合成，但合成步骤较复杂步骤较复杂，且纳米材料与聚合物材料的，且纳米材料与聚合物材料的选择空间较小选择空间较小。插层法插层法：能够获得：能够获得单一分散的纳米片层的复合材料单一分散的纳米片层的复合材料，容易工业容易工业化生产化生产，但不足之处是，但不足之处是可供选择可供选择的纳米材料的纳米材料不多不多，目前主要限，目前主要限于黏土中的于黏土中的蒙脱土蒙脱土。60本讲稿第六十页，共六十五页共混法共混法

47、：是纳米粉体和聚合物粉体混合：是纳米粉体和聚合物粉体混合最简单、最方便最简单、最方便的操作方法，的操作方法，但但难以保证难以保证纳米级的纳米级的分散力度和分散强度分散力度和分散强度，如果利用诸如蒙脱土插层，如果利用诸如蒙脱土插层聚合物改性的纳米复合母料，然后利用共混法则是比较好的，既经济聚合物改性的纳米复合母料，然后利用共混法则是比较好的，既经济又能得到纳米级分散的效果。又能得到纳米级分散的效果。填充法填充法：目前：目前仍处于发展阶段仍处于发展阶段，但它已显示诸多的优点。，但它已显示诸多的优点。例如，纳米材料与基体聚合物材料的例如，纳米材料与基体聚合物材料的选择空间大选择空间大；纳米材料不；纳

48、米材料不然可以然可以任意组合任意组合，而已可以任意地分散到粉体、液态、熔融态，而已可以任意地分散到粉体、液态、熔融态的聚合物，或是聚合物的前驱体小分子溶液中，的聚合物，或是聚合物的前驱体小分子溶液中，成型的方法多成型的方法多，易于实现纳米材料易于实现纳米材料纳米级分散的效果纳米级分散的效果。61本讲稿第六十一页，共六十五页分类：分类：三、三、聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料二）填充型聚合物纳米复合材料二）填充型聚合物纳米复合材料一）插层型聚合物纳米复合材料一）插层型聚合物纳米复合材料聚合物聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料层状硅酸盐纳米复合材料 将聚合物插入到纳米尺度的层状的无机物中而形将

49、聚合物插入到纳米尺度的层状的无机物中而形成的聚合物成的聚合物/层状纳米无机物复合材料。层状纳米无机物复合材料。以纳米级无机粒子填充到聚合物当中去而形成的以纳米级无机粒子填充到聚合物当中去而形成的聚合物聚合物/无机纳米粒子复合材料。无机纳米粒子复合材料。62本讲稿第六十二页，共六十五页一）插层型聚合物纳米复合材料一）插层型聚合物纳米复合材料经典层状结构的无机物：经典层状结构的无机物：硅酸盐类黏土硅酸盐类黏土等等聚合物蒙脱土插层复合类型：聚合物蒙脱土插层复合类型：（1）常规）常规（2）插层）插层（3）剥离）剥离纳米复合的水纳米复合的水平平蒙脱土结构：属于蒙脱土结构：属于2：1型层状硅酸盐，即每个单

50、位晶胞由两层规氧四面体中间夹着一层型层状硅酸盐，即每个单位晶胞由两层规氧四面体中间夹着一层铝氧八面体构成的三明治状结构，两者之间靠共享氧原子连接，每个结构单元为铝氧八面体构成的三明治状结构，两者之间靠共享氧原子连接，每个结构单元为1nm厚，厚，长、宽为长、宽为100200nm的片层，层间有可交换的阳离子。的片层，层间有可交换的阳离子。63本讲稿第六十三页，共六十五页（1）常规复合材料中，）常规复合材料中，蒙脱土仍保持原有状态，以简单的颗粒形蒙脱土仍保持原有状态，以简单的颗粒形式分散于聚合物基体中，蒙脱土片层并没有发生层间扩展等结构式分散于聚合物基体中，蒙脱土片层并没有发生层间扩展等结构变化，聚