《材料化学》第9章纳米材料.pptx

第9章纳米材料;;【引例】;

纳米材料能吸附周围气体和光，使电性质发生变化，出现升温现象等，利用界面效应、尺寸效应、量子效应有可能制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料相比，其应用方面更加具体化，传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。;未来的战争将是一场信息战，信息战的重要特征之一就是窃取和反窃取情报。将纳米传感器用空投或其他方法投入到所需的地方，构成一个分布式传感器网络，以搜集情报。或者用纳米机器人组成一支规模宏大的“机器虫”部队，携带各种功能的纳米传感器去执行特殊任务。

纳米传感器（如图9-1）不仅可以在未来战争中大显身手，在医学中也有用武之地，在临床手术上利用纳米传感器提供的实时信息，可提高手术的成功率。在药物制剂中，直径在微米或纳米级药物微粒的研究己成为国内外药剂学的研究热点。;图9-1纳米传感器;;§9.1纳米材料的概念;人们发现，当物质达到纳米尺度后，将具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性等。因此，人们把处于纳米尺度的材料从传统材料中分离开来，称为纳米材料(nanomaterials)或纳米结构材料(nanostructuredmaterials)。;广义地说，纳米材料指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm)调制的固体超细材料，或以其为基本单元构成的材料。与纳米材料研究相关的学科称为纳米科学技术。;纳米科学技术是20世纪80年代末出现并正在飞速发展，融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体，与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的多方位、多学科的新科技。纳米科学技术是在纳米尺度范围内认识和改造自然，通过直接操作或安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。;图9-2纳米尺度与物体尺寸比较;纳米科技主要包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个相对独立又相互渗透的学科，及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三???研究领域。其中，纳米物理学和纳米化学为纳米技术提供了理论依据，纳米电子学是纳米技术的最重要内容，而纳米材料的制备和研究则是整个纳米科技的基础。纳米材料的发展分为三个阶段：

（1）实验室制备各种纳米粉体、合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料的性能；

（2）设计纳米复合材料；

（3）组装纳米体系。其中人工组装合成的纳米体系越来越受到人们关注。;§9.2纳米材料的种类;以磁性能划分，有高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料、纳米磁性药物等；

以热学性能划分，有纳米热交换材料、低温烧结材料、特种非平衡合金等；

以生物和医用性能划分，有纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗菌材料；

以表面活性划分，则有纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料等。

;在纳米材料研究中，通常按维数不同，把纳米材料的基本单元分为零维、一维和二维。

零维纳米材料指空间三维尺度均在纳米尺度范围，如纳米颗粒、原子团簇等；

一维纳米材料指空间中有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米管、纳米棒等；

二维纳米材料指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。

此外，由这些低维纳米材料作为基本单元构成的块状材料，可划分为三维纳米材料，其纳米单元作为纳米相存在于块状材料中。;是介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于lnm，约含几个到几百个原子。根据其组成不同，可分为一元、二元、多元原子团簇以及原子簇化合物。原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学键结合成的化合物，有线状、层状、管状、洋葱状、球状等。

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原子团簇是由原子、分子的微观尺寸向宏观尺寸的过渡阶段，具有许多奇特的性质，如原子稳定性，气、液、固态的并存与转化，极大的表面/体积比，异常高的化学和催化活性，结构的多样性和排列的非周期性等。

原子团簇的奇特性质是纳米材料许多特性的科学基础。

;原子团簇中最典型的是富勒烯(fullerenes)，于1985年被发现，是继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态。;目前，原子团簇的研究工作主要有两方面：

（1）理论计算原子团簇的原子结构、键长、键角和排列能量最小的可能存在结构；

（2）实验研究原子团簇的结构与特性，制备原子团，并设法保持其原有