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材料化学 纳米材料 李 齐 方 材料科学与工程学院 1 纳米与纳米科技 什么是纳米 纳米尺度 纳米动力学 nanodynamics 主要指微机械和微机电，或总称为微型电动机械系统（minisize electromotion mechanism system，MEMS）。 类似于集成电路设计和制造的新工艺。 特点是部件小，刻蚀的深度目前要求数百微米，宽度误差万分之一，正向纳米尺度进军，有很大的潜在科学价值。 纳米微生物学和纳米药物学 研究生物分子间的相互作用和DNA等精细分子结构。 用自组装的方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料和药物 纳米电子学 基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装 纳米电子元件代替微电子器件，巨型计算机能装入口袋。 2 纳米化现象 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒尺寸 包含总原子数 表面原子所占比例，% nm 30000 20 4000 40 1 30 99 纳米固体 由纳米微粒集聚而成的凝聚体。与普通材料相比其界面体积显著提高。 按几何形状：纳米块状材料、纳米膜材料、纳米纤维材料。 按组成颗粒的结构状态：晶体、非晶体、准晶 按组成相数分类：纳米相材料、纳米复合材料 按导电性能：纳米绝缘体、纳米半导体、纳米导体 纳米组装体系 20世纪80年代，法国Lehn教授提出材料化学合成可以借鉴自组装的办法。若干分子能够在合时条件下自组装成纳米团簇，或在模板约束下组装成特定的纳米微结构；纳米结构亦可通过超分子作用组装成宏观物质。 以纳米颗粒、纳米丝、纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜镶嵌体系等 最常见的十大类纳米材料 8 纳米材料的表征 1） X射线衍射，XRD： 利用Scherrer公式，用衍射峰的半高宽和位置可计算纳米粒子粒径。 获取有关单晶胞内相关物质的元素组成比、尺寸、原子间距与键长等精细结构信息 4）扫描探针显微技术，SPM 扫描隧道电子显微镜，STM 原子力显微镜，AFM 扫描力显微镜，SFM 弹道电子发射显微镜，BEEM 扫描近场光学显微镜，SNOM 利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级至原子级水平上研究物质的表面原子和分子的几何结构及电子行为有关物理、化学性质。 根据非辐射场的探测与成像原理，能够突破普通光学显微镜限制，在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像和光谱研究。 镜头为细小的光学探针，其尖端孔径远小于光的波长。当其在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，可以探测丰富的亚微米光学信息。 STM探测隧道电子，SNOM探测隧道光子。由于光子无质量、电中性、波长长在多种介质中传播等特性，近场光学在纳米尺度的光学观察起到了其他方法不能取代的作用。 7 纳米材料的特性 力 学 热 学 磁 学 光 学 电 学 化学活性 材料科学与工程学院 特殊的力学性质 由于纳米材料具有很大的界面，而界面的原子序列是相当混乱的，这就导致了原子在外力作用下容易迁移，从而使其表现出很强的韧性及延展性。 在Al2O3陶瓷材料中加入少量的纳米SiC，性能有显著的提高，抗弯强度由原来的(300 ~ 400)MPa提高到(1.0 ~ 1.5)GPa，断裂韧性也提高了40%。 材料科学与工程学院 纳米金属铜的超延展性 材料科学与工程学院 特殊的热学性质 熔点下降 金：常规熔点1064℃ 10nm的金粒熔点1037℃ 2nm的金粒熔点327℃ 银的常规熔点670 ℃ 纳米银熔点100 ℃ 材料科学与工程学院 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化 温度均比常规粉体低得多。 由于颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位