纳米材料的特异性质2.ppt

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1、LOGO纳纳米材料的特异性质米材料的特异性质纳米催化剂的应用纳米催化剂的应用报告人：报告人：2010.11.23 制制 作：马富海作：马富海 叶刚叶刚 材料收集材料收集：赫广龙赫广龙 时龙娇时龙娇 1.纳米材料的纳米材料的发展发展，定义定义 2.纳米材料的各种特异性能纳米材料的各种特异性能 3.纳米材料的应用纳米材料的应用 4.总结总结 大大 纲纲Company Logo 1984198419841984年德国萨尔兰大学的年德国萨尔兰大学的年德国萨尔兰大学的年德国萨尔兰大学的GleiterGleiterGleiterGleiter 以及美以及美以及美以及美国阿贡试验室的国阿贡试验室的国阿贡试验

2、室的国阿贡试验室的SiegelSiegelSiegelSiegel相继成功地制得了纯物相继成功地制得了纯物相继成功地制得了纯物相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。质的纳米细粉。质的纳米细粉。质的纳米细粉。GleiterGleiterGleiterGleiter在高真空的条件下将在高真空的条件下将在高真空的条件下将在高真空的条件下将粒径为粒径为粒径为粒径为6nm6nm6nm6nm的的的的FeFeFeFe粒子原位加压成形，粒子原位加压成形，粒子原位加压成形，粒子原位加压成形，烧结得到烧结得到烧结得到烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新纳米微晶块体，

3、从而使纳米材料进入了一个新纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。的阶段。的阶段。的阶段。1990199019901990年年年年7 7 7 7月在美国召开的第一届国际月在美国召开的第一届国际月在美国召开的第一届国际月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。材料科学的一个新分支。材料科学的一个新分支。材料科学的一个新分支。纳米材料的发展纳米材料的发展Company Logo纳米材料的定义纳米材料的定义 纳米材料（又称超细微粒

4、、超细粉未）纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。用价值。Company Logo超声波纳米粉电气石纳米粉电气石

5、纳米粉返回返回Company Logo 纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21212121世世世世纪最具有前途的科研领域纪最具有前途的科研领域纪最具有前途的科研领域纪最具有前途的科研领域v表面效应表面效应v体积效应体积效应v量子尺寸效应量子尺寸效应v小尺寸效应小尺寸效应v宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应纳米材料的特性纳米材料的特

6、性 Company Logo 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。大后所引起的性质上的变化。大后所引起的性质上的变化。大后所引起的性质上的变化。粒径在粒径在粒径在粒径在10nm10nm10nm10nm以下，将迅速增加表面原子以下，将迅速增加表面原子以下，将迅速增加表面原子以下，将迅速增加表面原子的比例。当

7、粒径降到的比例。当粒径降到的比例。当粒径降到的比例。当粒径降到1nm1nm1nm1nm时，表面原子数比例时，表面原子数比例时，表面原子数比例时，表面原子数比例达到约达到约达到约达到约90%90%90%90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒以上，原子几乎全部集中到纳米粒以上，原子几乎全部集中到纳米粒以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子面原子配位数不足和高的表面能，使这

8、些原子面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。的化学活性。的化学活性。的化学活性。返回返回表面效应表面效应Company Logo 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其明，这种特殊的现象通

9、常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。能级状态分布而提出的。返回返回体积效应体积效应 Company Logo 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽未被占据

10、的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。返回返回量子尺寸效应量子尺寸效应Company Logo 当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长当颗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征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称热、力学等特性呈现新

11、的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，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。一系列新奇的性质。返回 小尺寸效应小尺寸效应Company Logo宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应是基本的量子现象宏观量子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之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，度时，该粒子仍能穿越这一势垒。该粒子仍能穿越这一势垒。近年近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通

12、量等亦磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。返回返回Company Logo纳米材料的应用纳米材料的应用v力学性质的应用力学性质的应用v磁学性质的应用磁学性质的应用v热学性质的应用热学性质的应用v光学性质的应用光学性质的应用v纳米催化剂的应用纳米催化剂的应用v生物医药材料的应用生物医药材料的应用Company Logo 纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米结构的材料强度与粒径成反比。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时时，其韧性、强度、硬度大幅提高使其其韧性、强度、硬度大幅提高使其在难以加工

13、材料刀具等领域占据了主导在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位地位。使用纳米技术制成的陶瓷使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广纤维广泛地应用于航空泛地应用于航空、航天航天、航海航海、油钻探等油钻探等恶劣环境下使用。恶劣环境下使用。力学性质的应用力学性质的应用 返回返回Company Logo 用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。磁学性质的应用磁学性质的应用Company Logo 返回磁性纳米材料磁性纳米材料磁性原理磁性原理磁磁性性粉粉体体相相关关产产品品Company Logo 纳米材料的比

14、热和热膨胀系数都大于纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由这是由于界面原子排列较为混乱于界面原子排列较为混乱、原子密度低原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。用方面有其广泛的应用前景。返回热学性质的应用热学性质的应用Company Logo 由于量子尺寸效由于量子尺寸效由于量子尺寸效由于量子尺寸效应，纳米半导体微应，纳米半导体微应，纳米半导体微应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般粒的吸收光谱一般粒的吸

15、收光谱一般粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其存在蓝移现象，其存在蓝移现象，其存在蓝移现象，其光吸收率很大，所光吸收率很大，所光吸收率很大，所光吸收率很大，所以可应用于红外线以可应用于红外线以可应用于红外线以可应用于红外线感测器材料。感测器材料。感测器材料。感测器材料。光学性质的应用光学性质的应用返回T5稀稀土土纳纳米米节节能能灯灯Company Logo 纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳

16、米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高100100倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在径在5nm5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。大。

17、纳米催化剂的应用纳米催化剂的应用Company Logo纳米二氧化钛纳米二氧化钛 纳米二氧化钛是金红石型纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的分散线作用强，有良好的分散性和耐候性。可用于化妆性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外线外线屏蔽剂，防止紫外线的侵害。也可用于高档汽的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效车面漆，具有随角异色效应。应。返回返回Company Logo 用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，

18、可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和中的蛋白质和DNADNA诊断出各种疾病，美国麻省理工诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为向药物，称之为“定向导弹定向导弹”。该技术是在磁性纳。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中中通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。通过磁场导航输送到病变

19、部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。可以用来检查和治疗身体各部位的病变。生物医药方面的应用生物医药方面的应用 Company Logo未来可用于诊断疾病未来可用于诊断疾病 返回纳米机器人清除血液垃圾纳米机器人清除血液垃圾Company Logo 纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问临的许多问题题特别是能源、人类健康和环境特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。纳米材料将成为材料科学保护等重大问题。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的日益广泛的应用应用。总结总结Company LCompany Logo