第二章納米材料結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)特性

1、1 教學(xué)目的教學(xué)目的：講授納米微粒的物理化學(xué)特性及碳納米管 重點內(nèi)容重點內(nèi)容： 納米材料的分類 納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別 物理特性：熱學(xué)性能，磁學(xué)性能，光學(xué)性能，電學(xué)性能，表面活性及敏感特性，光催化性能，力學(xué)性能 富勒烯、碳納米管的發(fā)現(xiàn)，性質(zhì)及應(yīng)用 難點內(nèi)容難點內(nèi)容：物理特性第二章 納米微粒的物理化學(xué)特性 2 主要英文詞匯：主要英文詞匯： Cluster, nanoparticle, quantum dot, one-dimensional nanomaterials, nanorod, nanowire, nanotube, nanofiber, nanocable, nanosprin

2、g， nanobelt, nanoribbon， nanoneedle3 根據(jù)維數(shù)，納米材料可分為根據(jù)維數(shù)，納米材料可分為、。4空間空間三維三維尺度都在納米尺度都在納米尺度（尺度（1 1100nm100nm）范圍內(nèi)，）范圍內(nèi)，即納米顆粒。即納米顆粒。原子團簇原子團簇納米微粒納米微粒C C6060富勒烯富勒烯5678李亞棟李亞棟Nature200591011空間三維尺度中有空間三維尺度中有兩維兩維在在納米尺度（納米尺度（1 1100 nm100 nm）范圍）范圍內(nèi)，包括納米棒、納米管、內(nèi)，包括納米棒、納米管、納米線和原子線等。納米線和原子線等。碳納米管碳納米管納米棒納米棒SiSi納米線納米線碳原

3、子線碳原子線12一維納米材料一維納米材料 -納米棒、納米帶和納米線納米棒、納米帶和納米線 一維納米材料一維納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大很多，甚至為宏觀量的新型納米材料。 納米棒、納米管、納米線、納米帶同軸納米電纜13 納米棒納米棒：縱橫比(長度與直徑的比率)小，截面一般為圓形圓形。一般小于20。 納米線納米線：縱橫比大，截面為一般為圓形圓形。 半導(dǎo)體和金屬納米線通常稱為量子線 納米帶納米帶其截面為長方形長方形。 同軸納米電纜同軸納米電纜：芯部芯部為半導(dǎo)體或?qū)w的納米線，外包外包異質(zhì)納米殼體（半導(dǎo)體或?qū)w），外部的殼體和芯部線是同軸的。141516171819

4、Field emission property improvement of ZnO nanowires coated with amorphous carbon and carbon nitride filmsNanotechnology 16 (2005) 98598920納米多孔薄膜納米多孔薄膜超晶格超晶格21 量子線量子線： 是指載流子僅在一個方向上可以自由運動，載流子僅在一個方向上可以自由運動，而在另外兩個方向上則受到約束而在另外兩個方向上則受到約束。也叫一維量子線。 量子點量子點： 是指載流子在三個方向上的運動都要受到載流子在三個方向上的運動都要受到約束的材料體系，即電子在三個維度

5、上的約束的材料體系，即電子在三個維度上的能量都是量子化的能量都是量子化的。也叫零維量子點。22 因為納米單元往往具有量子性質(zhì)量子性質(zhì)，所以對零維、一維和二維的基本單元零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點、量子線和量子阱量子點、量子線和量子阱之稱。 量子阱：量子阱： 是指載流子在兩個方向（如在載流子在兩個方向（如在X,Y平面內(nèi)）上平面內(nèi)）上可以自由運動，而在另外一個方向（可以自由運動，而在另外一個方向（Z）則受）則受到約束，即材料在這個方向上的特征尺寸與電到約束，即材料在這個方向上的特征尺寸與電子的德布羅意波長子的德布羅意波長或電子的平均自由程或電子的平均自由程相比擬相比擬或更小。或更小。有

6、時也稱為二維超晶格。二維超晶格。2D量子阱量子阱23 MCM-41; SBA-16; Nanoporous silicon; Activated carbonsMCM-4124256, 9, 20, 26 nmSBA-1626 根據(jù)化學(xué)成分，納米材料可分為根據(jù)化學(xué)成分，納米材料可分為、和和。2.1.2納米晶粒納米晶粒納米陶瓷納米陶瓷納米納米AlAl顆粒顆粒高分子高分子272.1.2 根據(jù)物性，納米材料可分為根據(jù)物性，納米材料可分為、。納米磁性材料納米磁性材料納米非線性材料納米非線性材料磁疇磁疇反射反射率很率很小小282.1.2 根據(jù)應(yīng)用，納米材料可分為根據(jù)應(yīng)用，納米材料可分為、。納米電子材料舉

7、例納米電子材料舉例29功能化功能化的醫(yī)用的醫(yī)用納米碳納米碳管管加拿大多倫多一家公司設(shè)計研制了一種針對艾滋病的新藥，加拿大多倫多一家公司設(shè)計研制了一種針對艾滋病的新藥，該藥的一個重要組成部分是由該藥的一個重要組成部分是由6060個碳原子組成的碳納米球。個碳原子組成的碳納米球。這個碳納米球的形狀和大小使它能夠很好地與被艾滋病毒感這個碳納米球的形狀和大小使它能夠很好地與被艾滋病毒感染過的細(xì)胞結(jié)合，從而把相應(yīng)的藥物傳達至被感染的細(xì)胞。染過的細(xì)胞結(jié)合，從而把相應(yīng)的藥物傳達至被感染的細(xì)胞。有關(guān)藥物在動物試驗中已經(jīng)取得良好效果，一旦獲得有關(guān)部有關(guān)藥物在動物試驗中已經(jīng)取得良好效果，一旦獲得有關(guān)部門批準(zhǔn)，馬上就

8、進行人體試驗。門批準(zhǔn)，馬上就進行人體試驗。30能儲氫的納米碳管（能儲氫的納米碳管（儲氫率儲氫率1010，按重量），按重量）31納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別： 第一、這種材料至少有一個方向是在納米的數(shù)量級上。 比如說納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。尺寸尺寸 第二、由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。 比如物體的強度、韌性、比熱、導(dǎo)電率、擴散率等完全不同于或大大優(yōu)于常規(guī)的體相材料。性能性能322.2 納米微粒的物理特性納米微粒的物理特性 納米微粒具有大的比表面積，表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加，

9、小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)觀量子隧道效應(yīng)等導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、熱、磁、光敏感特性和表面穩(wěn)定性光敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于常規(guī)粒子，這就使得它具有廣闊應(yīng)用前景。 33 2.2.1 熱學(xué)性能熱學(xué)性能 納米材料納米材料是指是指晶粒尺寸在晶粒尺寸在納米數(shù)量級納米數(shù)量級的多晶體的多晶體材料，具有很高比例的內(nèi)界面材料，具有很高比例的內(nèi)界面(包括晶界、相包括晶界、相界等界等)。 由于界面原子的振動焓、熵和組態(tài)焓、熵明顯不同于點陣原子，使納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學(xué)特性，如比熱容升高、熱膨脹系數(shù)增大、熔點降低等。 納米材

10、料的這些熱學(xué)性質(zhì)與其晶粒尺寸熱學(xué)性質(zhì)與其晶粒尺寸直接相關(guān)。 34 納米微粒的粒徑與熔點的關(guān)系納米微粒的粒徑與熔點的關(guān)系 對于一個給定的材料來說，熔點是指固態(tài)和液態(tài)間的轉(zhuǎn)變溫度。 當(dāng)高于此溫度時，固體的晶體結(jié)構(gòu)消失，取而代之的是液相中不規(guī)則的原子排列。 1954年，M. Takagi首次發(fā)現(xiàn)納米粒子的熔點低于其相應(yīng)塊體材料的熔點。 從那時起，不同的實驗也證實了不同的納米晶都具有這種效應(yīng)。35 (1)熔點和開始燒結(jié)溫度熔點和開始燒結(jié)溫度比常規(guī)粉體的低得多比常規(guī)粉體的低得多。 大塊鉛的熔點327 ，20 nm 納米Pb 39 . 納米銅(40 nm)的熔點，由1053(體相)變?yōu)?50。 塊狀金熔點

11、 1064 ，10 nm時1037 ；2 nm時，327 ； 銀塊熔點，960 ；納米銀(2-3 nm)，低于100 。 用于低溫焊接用于低溫焊接(焊接塑料部件焊接塑料部件)。手握金湯“真金為何也怕火煉真金為何也怕火煉”36 Wronski計算出Au微粒的粒徑與熔點的關(guān)系，如圖所示。 圖中看出，超細(xì)顆粒的熔點隨著粒徑的減小而下超細(xì)顆粒的熔點隨著粒徑的減小而下降。當(dāng)粒徑小于降。當(dāng)粒徑小于10 nm時，熔點急劇下降時，熔點急劇下降。其中其中3nm左右的金微粒子的熔點只有其塊體材料熔點左右的金微粒子的熔點只有其塊體材料熔點的一半的一半。37熔點下降的原因熔點下降的原因： 由于顆粒小，納米微粒的表面能

12、高表面能高、表面表面原子數(shù)多原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全近鄰配位不全，活性大活性大(為原子運動提供動力為原子運動提供動力)，納米粒子熔化時所需增加的內(nèi)能內(nèi)能小小，這就使得納米納米微粒熔點急劇下降微粒熔點急劇下降。 超細(xì)顆粒的熔點下降，對粉末冶金工業(yè)具超細(xì)顆粒的熔點下降，對粉末冶金工業(yè)具有一定吸引力。有一定吸引力。38粒子尺寸減小，粒子尺寸減小，表面或界面的原子數(shù)必表面或界面的原子數(shù)必然增多然增多，粒子的表面能級、表面張力增加，粒子的表面能級、表面張力增加，從而導(dǎo)致從而導(dǎo)致粒子表面活性增高粒子表面活性增高；表面原子輸送和構(gòu)型發(fā)生變化，出現(xiàn)了表面原子輸送和構(gòu)型發(fā)生變化，出現(xiàn)了剩余的不飽和化學(xué)

13、鍵，表面電子自旋構(gòu)剩余的不飽和化學(xué)鍵，表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜發(fā)生變化，使象和電子能譜發(fā)生變化，使粒子產(chǎn)生較粒子產(chǎn)生較高催化活性高催化活性。39 表表 2-1 粒子尺寸減小，表面或界面的原子數(shù)必然增多粒子尺寸減小，表面或界面的原子數(shù)必然增多40如，金屬的納米顆粒在如，金屬的納米顆粒在空氣中會燃燒，無機的空氣中會燃燒，無機的納米顆粒暴露在空氣中納米顆粒暴露在空氣中會吸附氣體并與氣體進會吸附氣體并與氣體進行反應(yīng)都是因為這些納行反應(yīng)都是因為這些納米顆粒的表面活性高的米顆粒的表面活性高的原因。原因。金屬納米顆粒在空氣中自燃金屬納米顆粒在空氣中自燃粒子尺寸減小，粒子表面活性增高粒子尺寸減小，粒子表面活

14、性增高視屏視屏41 2.2.2 光學(xué)性能 (1)寬頻帶強吸收 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，便失當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色尺寸越小，顏色愈黑愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。鉻黑。42 光與物質(zhì)相互作用，除吸收外，還有散射作用，微粒對光波的散射與波長的四次方成反比，因此天空成藍色。金屬金屬超微顆粒超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趯獾姆瓷渎屎艿?，通?？傻陀?/p>

15、l l，大約幾微米的厚度就能大約幾微米的厚度就能完全消光完全消光。利用這個特性可。利用這個特性可以高效率地將以高效率地將太陽能太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。還可能應(yīng)用于用于紅外敏感元件紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)紅外隱身技術(shù)等。等。43F-117A戰(zhàn)斗機和B-2轟炸機納米隱身飛機納米隱身飛機 在飛機外表面涂上納米超微粒材在飛機外表面涂上納米超微粒材料料,可以有效可以有效吸收雷達波吸收雷達波,這就是隱身飛機。這就是隱身飛機。44襲殺本拉登襲殺本拉登 使用隱形變種黑鷹使用隱形變種黑鷹 這位這位退役飛行員退役飛行員表示，為了匿蹤，直升機的擋風(fēng)玻璃必須有特殊涂料，表示，為了匿蹤，直升

16、機的擋風(fēng)玻璃必須有特殊涂料，會影響飛行員的視線。尤其這次在夜間執(zhí)行任務(wù)，飛行員戴著夜視鏡，會影響飛行員的視線。尤其這次在夜間執(zhí)行任務(wù)，飛行員戴著夜視鏡，負(fù)擔(dān)尤其沉重。負(fù)擔(dān)尤其沉重。 45為什么士兵突擊中一個雞蛋就暴露了陣地位置呢為什么士兵突擊中一個雞蛋就暴露了陣地位置呢? 46 (2)藍移和紅移現(xiàn)象藍移和紅移現(xiàn)象 A 藍移藍移 與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移藍移”現(xiàn)象現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長方向即吸收帶移向短波長方向。 例如：例如： 納米SiC顆粒和大塊固體的峰值紅外吸收頻率分別是814 cm-1和794 cm-1。藍移了藍移了20 cm-1。 納米Si

17、3N4顆粒和大塊固體的峰值紅外吸收頻率分別是949 cm-1和935 cm-1，藍移了藍移了14 cm-1。47 由圖看出，隨著微粒尺寸的變小而有隨著微粒尺寸的變小而有明顯的藍移明顯的藍移。CdS溶膠顆粒在不同尺寸溶膠顆粒在不同尺寸下的紫外吸收光譜下的紫外吸收光譜 48 納米微粒吸收帶納米微粒吸收帶“藍移藍移”的解釋：的解釋： 一、量子尺寸效應(yīng)一、量子尺寸效應(yīng) 由于顆粒尺寸下降顆粒尺寸下降能隙變寬能隙變寬，這就導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向。 Ball等對這種藍移現(xiàn)象給出了普適性的解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級與未被占據(jù)分已被電子占據(jù)分子軌道能級與未被占據(jù)分子軌道能級之間子軌道能級之間的寬度寬度 (

18、能隙能隙)隨顆粒直徑減小而增大，這是產(chǎn)生藍移的根本原因，這種解釋對半導(dǎo)體和絕緣體都適用。 49 B 紅移紅移 在一些情況下，粒徑減小至納米級時光吸收帶相對粗晶材料呈現(xiàn)呈現(xiàn)“紅移紅移”現(xiàn)象現(xiàn)象。即吸收帶移吸收帶移向長波長向長波長。 例如，在2001400nm波長范圍，單晶NiO呈現(xiàn)八個光吸收帶。蜂位分別為3.52，3.252.95，2.75，2.15，1.95，1.75和1.13 eV， 納米NiO(粒徑在5484nm范圍)不出現(xiàn)3.52eV的吸收帶，其他7個帶的蜂位分別為3.30，2.99，2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV， 很明顯，前4個光吸收帶相對單晶的吸收帶發(fā)生藍移，

19、后3個光吸收帶發(fā)生紅移。50 吸收光譜的紅移現(xiàn)象的原因 由于表面或界面效應(yīng)，引起納米微粒的表面張力增大，使發(fā)光粒子所處的環(huán)境變化致使粒子的能級改變，帶隙變窄所引起的。51 (4) 納米微粒的發(fā)光納米微粒的發(fā)光 光致發(fā)光光致發(fā)光是指在一定波長光照射下被激發(fā)到高能級激高能級激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài)的電子重新躍回到低能級低能級被空穴俘獲而發(fā)射出光子的現(xiàn)象。 電子躍遷可分為：非輻射躍遷和輻射躍遷。 通常當(dāng)能級間距很小時，電子躍遷通過非輻射躍遷過程發(fā)射聲子，此時不發(fā)光。 而只有當(dāng)能級間距較大時，才有可能實現(xiàn)輻射躍遷，發(fā)射光子。能級躍遷能級躍遷自發(fā)輻射自發(fā)輻射E E2 2E E1 1h/EE1252 當(dāng)納米微粒的尺寸小

20、到當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時可在一定波長一定值時可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光。的光激發(fā)下發(fā)光。 1990年。日本佳能研究中心的Tabagi等發(fā)現(xiàn)，粒徑小于6nm的硅在室溫下可以發(fā)射可見光。 圖所示的為室溫下，紫外光激發(fā)引起的納米硅的發(fā)光譜。 藍移藍移535455 可以看出，隨粒徑減小，發(fā)射帶強度增強并移隨粒徑減小，發(fā)射帶強度增強并移向短波方向向短波方向。當(dāng)粒徑大于6nm時，這種光發(fā)射現(xiàn)象消失。 Tabagi認(rèn)為認(rèn)為，硅納米微粒的發(fā)光是載流子的量載流子的量子限域效應(yīng)子限域效應(yīng)引起的。 Brus認(rèn)為認(rèn)為，大塊硅不發(fā)光是它的結(jié)構(gòu)存在平移對稱性，由平移對稱性產(chǎn)生的選擇定則平移對稱性產(chǎn)生的選擇定則使得大

21、尺寸硅不可能發(fā)光，當(dāng)硅粒徑小到某一程度時(6nm)，平移對稱性消失，因此出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。 56 摻入CdSexS1-x納米顆粒的玻璃在530nm光激發(fā)下，當(dāng)顆粒尺寸小至5nm時，會出現(xiàn)激子發(fā)射峰激子發(fā)射峰。 550nm吸收和發(fā)射 摻雜能級57分散在乙二醇里的CdS納米粒子的發(fā)射光譜，激發(fā)波長為310 nm固相CdS納米粒子的發(fā)射光譜，激發(fā)波長為345 nmA,B,C,D粒徑減小，發(fā)生藍移粒徑減小，發(fā)生藍移58593 . 特殊的特殊的磁學(xué)磁學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在

22、地磁場導(dǎo)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。當(dāng)顆粒尺寸減小到當(dāng)顆粒尺寸減小到 2*10-2微米以下時，其微米以下時，其矯頑力可增加矯頑力可增加1千千倍倍，若進一步減小其尺寸，大約小于，若進一步減小其尺寸，大約小于 6*10-3微米時，其矯頑微米時，其矯頑力反而降低到零力反而降低到零，呈現(xiàn)出，呈現(xiàn)出超順磁性超順磁性。 利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的密度的磁記錄磁粉磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用超

23、順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體磁性液體。603 . 特殊的特殊的磁學(xué)磁學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 61 “ “橫行霸道橫行霸道”為什么螃蟹要橫著走為什么螃蟹要橫著走? 地磁場說 624 . 特殊的特殊的力學(xué)力學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 由于納米材料粒度非常微小由于納米材料粒度非常微小,具有良好的具有良好的表面效應(yīng)表面效應(yīng),1克納米材料的表面積達到幾百平方米。因此克納米材料的表面積達到幾百平方米。因此,用納米用納米材料制成的產(chǎn)品其材料制成的產(chǎn)品其強度、柔韌度、延展性強度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)都十分優(yōu)越，就象一種有千萬對腳的毛毛蟲，當(dāng)它吸附在光越，就象一種有千萬對腳的毛毛

24、蟲，當(dāng)它吸附在光滑的玻璃面上時，由于接觸面積大，滑的玻璃面上時，由于接觸面積大，12級臺風(fēng)有也級臺風(fēng)有也吹不掉它。吹不掉它。 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性良好的韌性。 研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍

25、。至于倍。至于金屬金屬-陶瓷陶瓷等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。63 “ “剛?cè)岵鷦側(cè)岵?納米陶瓷材料納米陶瓷材料能夠能夠彎曲彎曲180180度就是一個典型度就是一個典型的例子。由于陶瓷材料的例子。由于陶瓷材料具有堅硬、耐高溫等優(yōu)具有堅硬、耐高溫等優(yōu)良特性，工業(yè)界一直認(rèn)良特性，工業(yè)界一直認(rèn)為陶瓷是未來為陶瓷是未來汽車、飛汽車、飛機發(fā)動機機發(fā)動機的理想材料。的理想材料。納米陶瓷納米陶瓷64研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由為它是由磷酸鈣磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的等納米材料構(gòu)成的。

26、呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于倍。至于金屬金屬-陶瓷陶瓷等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。 “ “人體中的納米材料人體中的納米材料”655 . 特殊的特殊的電學(xué)電學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，電子能量被量電子能量被量子化子化了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電合適電壓時，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時金屬顆粒不導(dǎo)壓時，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時金屬顆粒不導(dǎo)電電。原來是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸減少到幾個納米。原來是導(dǎo)體的銅等金屬，在

27、尺寸減少到幾個納米時就不導(dǎo)電了；時就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅等，電阻會大大下而絕緣的二氧化硅等，電阻會大大下降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。 還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。 這就使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控這就使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控制的電子器件，

28、即所謂的制的電子器件，即所謂的單電子器件單電子器件。單電子器件的。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來做成計算機芯片其容量和尺寸很小，把它們集成起來做成計算機芯片其容量和計算速度不知要提高多少倍。計算速度不知要提高多少倍。666.光催化性質(zhì) 概括說來，就是光觸媒在外界可見光的作用下發(fā)生催化作用。 光催化一般是多種相態(tài)之間的催化反應(yīng)。 光觸媒在光照條件（可以是不同波長的光照）下所起到催化作用的化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為光反應(yīng)。67光合作用也可以看作光催化視屏6869其中，光催化分解反應(yīng)機理如下：70常見的光催化材料常見的光催化材料PhotocatalystEbg eV)PhotocatalystEbg (

29、eV)Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile）3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SrTiO33.4SnO33.5WSe31.2Fe2O32.2a a-Fe2O33.1金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，會發(fā)生陽極光腐蝕，且有毒！會發(fā)生陽極光腐蝕，且有毒！鐵的氧化物會發(fā)生陰極光腐蝕鐵的氧化物會發(fā)生陰極光腐蝕ZnO在水中不穩(wěn)定，會在粒子表面生成在水中不穩(wěn)定，會在粒子表面生成Zn(OH)271光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域7273光催化循環(huán)水處理系統(tǒng)光催化循環(huán)水處理系統(tǒng)74萬利達車用空氣凈化器KJ-100 75納米光催化空氣消毒反應(yīng)器納米光催化空

30、氣消毒裝置加載特點：1. 高度消毒 2. 高效清除化學(xué)污染。3. 消毒材料無需更換。4. 為使用單位節(jié)約巨額能源 消耗經(jīng)費。5. 進行空氣消毒時，可以人機同在。不帶有任何對空氣造成其他再污染的物質(zhì)。而且，該過程中，納米TiO2沒有任何消耗，所以，不需要對消毒材料進行更換。 76冰箱洗衣機之冰箱洗衣機之“納米納米”非非“納米納米” 納米技術(shù)被隨意解釋納米技術(shù)被隨意解釋宣傳大玩文字游戲宣傳大玩文字游戲?qū)＜屹|(zhì)疑納米電器專家質(zhì)疑納米電器77我眼中的納米世界我眼中的納米世界-李正孝李正孝 北京大北京大學(xué)教授學(xué)教授 視屏（49分鐘）782.3、碳納米管及應(yīng)用現(xiàn)狀、碳納米管及應(yīng)用現(xiàn)狀79引 言碳元素家族成員

31、碳元素碳元素?zé)o定形碳無定形碳晶形碳晶形碳石墨石墨富勒碳富勒碳金剛石金剛石巴基球（以巴基球（以C60為代表）為代表）碳納米管碳納米管巴基蔥（即球狀多壁同心大分子）巴基蔥（即球狀多壁同心大分子）碳納米管的發(fā)現(xiàn)1 801.1.石墨石墨/ /金剛石金剛石 石墨石墨（最軟、灰色、不透明、良好導(dǎo)電體、固體潤滑劑）（最軟、灰色、不透明、良好導(dǎo)電體、固體潤滑劑） 金剛石金剛石（最硬、刀具；透明、折射光極強、鉆石）（最硬、刀具；透明、折射光極強、鉆石）81石墨結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)822.2.富勒烯富勒烯C C60601985年年,英國英國化學(xué)家克羅托克羅托博士和美國美國科學(xué)家史史莫利莫利等人在氦氣流

32、中以雷射汽化蒸發(fā)石墨石墨實驗中首次制得由60個碳組成的碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60。C60C70 Kroto 研究小組研究小組獲得的碳原子團獲得的碳原子團簇的質(zhì)譜圖簇的質(zhì)譜圖Kroto教授教授832.2.富勒烯富勒烯C C6060蒙特婁巨蛋體育館蒙特婁巨蛋體育館 C60具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？842.2.富勒烯富勒烯C C6060C60 C60具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？ 12個五邊形個五邊形、20個六邊形個六邊形組組成了一個中空的成了一個中空的32面體面體，五五邊形互不鄰接，而是與五個邊形互不鄰接，而是與五個六邊形相接，每個六邊形又六邊形相接，每個六邊形又與與3個六邊形

33、和個六邊形和3個五邊形間個五邊形間隔相接，共有隔相接，共有60個頂角個頂角，碳，碳原子位于頂角上，是一個完原子位于頂角上，是一個完美對稱的分子（圖）。美對稱的分子（圖）。852.2.富勒烯富勒烯C C6060蒙特婁巨蛋體育館蒙特婁巨蛋體育館 C60具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯，簡稱Fullerene即富勒烯，或用富勒的名字稱為Buckyball即巴基球。因C60酷似英式足球，所以又稱為Soccerene，即足球烯。 Fullerens Fullerens headhead86 經(jīng)紅外光譜，紫外可見光譜，電鏡掃描，粉末和晶體

34、X射線衍射分析等方法對C60和C70進行結(jié)構(gòu)分析，證實了克羅托等人的推理是完全正確證實了克羅托等人的推理是完全正確的的C60是球籠狀，是球籠狀，C70是橄攬球籠狀是橄攬球籠狀（圖）。（圖）。 由于克羅托、科爾、斯莫利克羅托、科爾、斯莫利三位科學(xué)家在富勒烯研究中的杰出貢獻，他們共同榮獲了1996年年的諾貝爾化學(xué)獎。的諾貝爾化學(xué)獎。 87 在這些分子中，由在這些分子中，由于于C C6060在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等方面的獨特性能，且方面的獨特性能，且化學(xué)性質(zhì)最為穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)最為穩(wěn)定，故在物理、化學(xué)、材故在物理、化學(xué)、材料與生命科學(xué)等領(lǐng)域料與生命科學(xué)等領(lǐng)域越來越顯示出其巨大越來越顯示出其巨大的應(yīng)

35、用潛力和重要的的應(yīng)用潛力和重要的研究價值。研究價值。分子器件分子器件改性改性功能材料功能材料晶體薄膜晶體薄膜883.3.碳納米管碳納米管由單層或多層石墨片繞中心按一由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫、中空納定角度卷曲而成的無縫、中空納米管米管單壁碳納米管單壁碳納米管直徑為直徑為1-6 nm1-6 nm多壁碳納米管直徑nm m89 19911991年，日本年，日本NECNEC公司公司的的S.lijimaS.lijima電弧蒸發(fā)石墨制備電弧蒸發(fā)石墨制備C C6060富勒烯時發(fā)現(xiàn)電極上還有一富勒烯時發(fā)現(xiàn)電極上還有一些針狀產(chǎn)物。這些些針狀產(chǎn)物。這些針狀產(chǎn)物針狀產(chǎn)物在在高分辨電子顯微鏡下觀

36、察發(fā)現(xiàn)高分辨電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)是直徑為是直徑為4 43030納米，長約納米，長約1 1微微米的由米的由2 2個到個到5050個個同心管同心管構(gòu)成構(gòu)成的物質(zhì)，相鄰?fù)墓荛g距為的物質(zhì)，相鄰?fù)墓荛g距為0.340.34納米。在這些管體的兩端納米。在這些管體的兩端可能有由富勒烯形成帽子，這可能有由富勒烯形成帽子，這就是就是多壁納米碳管多壁納米碳管。S.Lijima教授教授C60富勒烯富勒烯多壁納米碳管多壁納米碳管90 發(fā)現(xiàn)多壁納米發(fā)現(xiàn)多壁納米管碳管兩年以后，管碳管兩年以后，lijimalijima和和BedhuneBedhune等幾乎同時報道了等幾乎同時報道了采用采用電弧放電方法電弧放電方法，在石墨

37、電極中添加在石墨電極中添加了一定的催化劑，了一定的催化劑，可以得到僅僅具有可以得到僅僅具有一層管壁的納米碳一層管壁的納米碳管，即管，即單壁納米碳單壁納米碳管管。 91納米碳管又稱納米碳管又稱巴基管巴基管，分為多壁納米管和單壁分為多壁納米管和單壁納米管。多壁納米管同納米管。多壁納米管同心軸心軸管間距管間距0.34nm0.34nm。大。大多數(shù)碳管的兩端由五邊多數(shù)碳管的兩端由五邊形和七邊形構(gòu)成半球狀形和七邊形構(gòu)成半球狀封口。封口。 納米碳管上的碳納米碳管上的碳原子電子結(jié)構(gòu)和原子電子結(jié)構(gòu)和石墨相石墨相近近，為，為SPSP2 2雜化。雜化。92NATURE, 1993NATURE, 199193 納米碳管的管壁納米碳管的管壁是由碳原子六邊形組成是由碳原子六邊形組成的。它可能存在三種類的。它可能存在三種類型的結(jié)構(gòu)型的結(jié)構(gòu), ,即所謂的即所謂的扶扶手椅納米管、鋸齒型納手椅納米管、鋸齒型納米管米管和和手性納米管。手性納米管。 不同類型的納米碳不同類型的納米碳管型的納米碳管的形成管型的納米碳管的形成取決于碳原子的六角點取決于碳原子的六角點陣陣二維石墨片二維石墨片是如何是如何“卷起來卷起來”形成圓筒形形成圓筒形的。的。94碳納米管奇特的力學(xué)性質(zhì)：它的碳納米管奇特的力學(xué)性質(zhì)：它的強度比鋼高強度比鋼高100100倍倍，但，但是是重量