材料化學(xué) 課件 11 納米材料

高等材料化學(xué)納米材料納米材料的基本效應(yīng)132目錄納米材料與納米技術(shù)納米材料的制備方法4納米材料的分類及其特性納米材料的基本效應(yīng)132目錄納米材料與納米技術(shù)納米材料的制備方法4納米材料的分類及其特性分子自然宇宙生命從原子到宇宙，人類對(duì)世界的探索永無止境。納米尺度是從無功能到有功能、從無生命到有生命的臨界尺度什么是納米尺度空間尺度的劃分納米科學(xué)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1納米至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)，納米工程的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。超分辨成像技術(shù)拓展光學(xué)測(cè)量極限納米科技操縱組裝原子分子的“夢(mèng)想”高分辨電子能譜儀納米表征技術(shù)與測(cè)量學(xué)電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡納米測(cè)量與定向加工富勒烯的發(fā)現(xiàn)碳納米材料的新紀(jì)元石墨烯的發(fā)現(xiàn)二維納米材料新領(lǐng)域巨磁電阻效應(yīng)納米（自旋）電子學(xué)藍(lán)光LED納米薄膜半導(dǎo)體革命冷凍電鏡納米生命測(cè)量分子機(jī)器納米化學(xué)與智能設(shè)計(jì)201420142007201020162017與納米科技直接相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)：物理學(xué)獎(jiǎng)5次;化學(xué)獎(jiǎng)4次1996195919811986納米科學(xué)六十年發(fā)展史納米科技的起源與發(fā)展

1959年費(fèi)曼在一次題為

“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”著名的演講中提出“如果有一天能按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子和分子，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”并預(yù)言，說人類可以用新型的微型化儀器制造出更小的機(jī)器，最后人們可以按照自己的意愿從單個(gè)分子甚至單個(gè)原子開始組裝，制造出最小的人工機(jī)器來。最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德·費(fèi)曼(RichardPFeynman)。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間分辨率，橫向可達(dá)納米，縱向可優(yōu)于納米。它主要用來描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖，在納米尺度上研究物質(zhì)的特性，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對(duì)表面的剝蝕、修飾以及直接書寫等。掃描隧道顯微鏡石墨烯STEM圖譜納米科技的起源與發(fā)展

1990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國(guó)IBM公司阿爾馬登研究中心（Almaden

Research

Center）的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人振奮的研究成果，他們使用STM把35個(gè)氙原子移動(dòng)到各自的位置，在鎳金屬表面組成了“IBM”三個(gè)字母，這三個(gè)字母加起來不到3納米長(zhǎng)，成為世界上最小的IBM商標(biāo)。

1993年中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室用STM操縱硅原子寫出“中國(guó)”兩個(gè)字，標(biāo)志著中國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。（在室溫下，用STM的針尖，并通過針尖與硅樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成“中國(guó)”的圖形。）納米科技的起源與發(fā)展納米(nanometer)是一種幾何尺寸量度單位，簡(jiǎn)寫為nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m1nm大體相當(dāng)于10個(gè)氫原子緊密排列在一起所具有的長(zhǎng)度，是一根頭發(fā)絲的六萬分之一。納米鐵粉納米Fe2O3100nm納米的定義納米科技的研究?jī)?nèi)容納米科技在納米尺度（一般為1~100nm）范圍內(nèi)，研究物質(zhì)的特性和相互作用，包括原子、分子操作，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。納米科技的研究?jī)?nèi)容主要包括以下四個(gè)方面：（1）創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料；（2）設(shè)計(jì)和制備各種納米器件和裝置；（3）探測(cè)與分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象；（4）以原子、分子為起點(diǎn)，去設(shè)計(jì)制造具有特殊功能的產(chǎn)品。納米科技包括三個(gè)研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測(cè)與表征。其中納米材料是納米科技的基礎(chǔ)；納米器件的研制水平和應(yīng)用程度是人類是否進(jìn)入納米科技時(shí)代的重要標(biāo)志；納米尺度的檢測(cè)與表征是納米科技研究必不可少的手段和理論與實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。納米材料學(xué)(Nanomaterials)是研究納米材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用的一門納米應(yīng)用科學(xué)。在納米尺度下，物質(zhì)中電子的波動(dòng)性以及原子的相互作用將受到尺寸大小的影響。如納米尺度的結(jié)構(gòu)材料,能在不改變物質(zhì)化學(xué)成分的情況下，通過調(diào)節(jié)其納米尺才的大小來控制材料的基本性質(zhì),如熔點(diǎn)、磁性、電容其至顏色等。納米科技的研究?jī)?nèi)容15納米科技的全球?qū)W科發(fā)展現(xiàn)況全球七個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，納米相關(guān)基礎(chǔ)研究成果占比超過5%納米科技形成“科學(xué)-技術(shù)-工程”一體化發(fā)展格局，成為推動(dòng)學(xué)科交叉、支撐重大應(yīng)用的底層科學(xué)。納米相關(guān)學(xué)術(shù)成果中有更高比例從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)界2016年全球納米科技產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約為3813億美元，并快速增長(zhǎng)美國(guó)麻省理工學(xué)院納米中心加州圣地亞哥分校納米工程系日本早稻田大學(xué)納米科學(xué)與工程系威斯康星大學(xué)麥迪遜分校納米材料與納米工程專業(yè)劍橋大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)專業(yè)萊斯大學(xué)納米材料與工程專業(yè)（BCCResearch、MarketsandMarkets等市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)測(cè)算）（Elsevier2021年納米科技產(chǎn)出與影響力報(bào)告）16納米科學(xué)與工程的未來前景有關(guān)調(diào)研結(jié)果顯示，當(dāng)前納米材料、納米化學(xué)品、納米設(shè)備/機(jī)器、納米醫(yī)療等9個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域年產(chǎn)值超過20億美元。數(shù)據(jù)來源：BCCResearch,VariantMarketResearch,MarketsandMarkets,《國(guó)際納米科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)研究》產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域預(yù)估市值（億美元）納米材料773（2021年）納米化學(xué)品128（2024年）納米設(shè)備/機(jī)器29（2028年）納米醫(yī)療2931（2022年）環(huán)境產(chǎn)業(yè)418（2020年）納米印刷318（2020年）納米傳感器319（2023年）納米陶瓷223（2021年）納米能源257（2022年）17全球納米領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊體系18國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)組織與協(xié)會(huì)中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)中國(guó)化學(xué)會(huì)納米化學(xué)專業(yè)委員會(huì)中國(guó)材料學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)納米生物學(xué)分會(huì)中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)納米腫瘤學(xué)分會(huì)中國(guó)毒理學(xué)會(huì)納米毒理學(xué)專業(yè)委員會(huì)中國(guó)藥學(xué)會(huì)納米藥物專業(yè)委員會(huì)歐洲納米科學(xué)與納米技術(shù)協(xié)會(huì)美國(guó)納米協(xié)會(huì)日本納米構(gòu)造協(xié)會(huì)英國(guó)納米技術(shù)協(xié)會(huì)韓國(guó)納米技術(shù)協(xié)會(huì)歐洲精密工程與納米技術(shù)協(xié)會(huì)19中國(guó)納米科技發(fā)展中國(guó)從1980年開始納米科技的研究，是世界上少數(shù)幾個(gè)早期部署納米科技研究的國(guó)家之一。1994年4月，錢學(xué)森向中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)信件中表達(dá)納米科學(xué)技術(shù)是時(shí)代發(fā)展新方向，中國(guó)應(yīng)在此領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。2000年起，基金委全方位的支持納米研究2006年起，科技部國(guó)家重大研究計(jì)劃、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃持續(xù)支持納米研究（十二五~十四五）2018年以來，習(xí)近平主席多次談到我國(guó)“納米科技”，在外交活動(dòng)、政治局學(xué)習(xí)和科技創(chuàng)新大會(huì)中，多次表達(dá)對(duì)納米科技的關(guān)注和期望：兩院院士大會(huì)、廣東巡視、

上海世博會(huì)、“一帶一路”國(guó)際合作高峰論壇20納米科學(xué)納米尺度下的基礎(chǔ)科學(xué)理論納米技術(shù)納米尺度下的核心技術(shù)研究納米工程在納米尺度下進(jìn)行的創(chuàng)新工程實(shí)踐納米產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)制造和精確制造的產(chǎn)品納米科學(xué)與工程學(xué)科已成為交叉學(xué)科、制造業(yè)的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域。2022年正式新增交叉學(xué)科門類：新設(shè)一級(jí)學(xué)科納米科學(xué)與工程6個(gè)科研機(jī)構(gòu)位于全球納米科學(xué)研究產(chǎn)出前10機(jī)構(gòu)（2018年）。132位兩院院士從事納米科技相關(guān)研究。2項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（占比9.1%）（2000-2020年）。一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，占比26.7；二等獎(jiǎng)142項(xiàng)，占比20%146項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)，占比20%（2000-2020年）。21萬件納米技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)，位于世界第一。國(guó)內(nèi)納米科技發(fā)展?fàn)顩r22我國(guó)納米科技中強(qiáng)大的師資力量132名科學(xué)院院士從事納米領(lǐng)域的研究張杰解思深劉明張躍張錦中國(guó)科學(xué)院：數(shù)理學(xué)部，化學(xué)部，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)部，信息科學(xué)部，技術(shù)科學(xué)部

兩院從事過納米科技研究的部分院士照片（照片收集不全）認(rèn)定條件：（1）承擔(dān)過納米科技的科研項(xiàng)目，或（2）發(fā)表過納米科技的學(xué)術(shù)論文

23我國(guó)納米科技中強(qiáng)大的師資力量263名工程院院士從事納米領(lǐng)域的研究中國(guó)工程院：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)部，信息與電子工程學(xué)部，化工、冶金與材料工程學(xué)部，能源與礦業(yè)工程學(xué)部，土木、水利與建筑工程學(xué)部，環(huán)境與輕紡工程學(xué)部，農(nóng)業(yè)學(xué)部，醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)部，工程管理學(xué)部屠海令王迎軍王玉忠吳鋒薛群基張聯(lián)盟張平祥周玉才鴻年陳立泉傅恒志江東亮金涌李俊賢李龍土舒興田王靜康余永富袁渭康趙連城周克崧陳建峰董紹明李賀軍付賢智黃伯云丁文江黃小衛(wèi)蹇錫高李言榮毛新平聶祚仁歐陽(yáng)平凱潘復(fù)生彭金輝彭壽邱冠周杜彥良郭仁忠任南琪馬軍繆昌文崔俊芝李圭白周豐峻程天民

戴尅戎侯惠民黎介壽

廖萬清阮長(zhǎng)耿盛志勇石學(xué)敏王永炎王正國(guó)聞?dòng)衩废募逸x楊勝利甄永蘇鐘南山鐘世鎮(zhèn)曹福亮陳煥春蔣劍春金寧一康紹忠李堅(jiān)李培武劉仲華羅錫文沈建忠宋寶安宋湛謙夏咸柱劉秀梵管華詩(shī)官春云陳宗懋吳孔明印遇龍張福鎖張改平張洪程張佳寶陳克復(fù)陳文興瞿金平石碧孫晉良王琪俞建勇張偲朱利中湯鴻霄張懿張志愿夏照帆劉昌孝鄧運(yùn)華多吉范維澄郭劍波李根生李建剛歐陽(yáng)曉平蘇義腦孫金聲袁士義趙憲庚岑可法傅依備何繼善雷清泉羅平亞秦裕琨鮮學(xué)福衣寶廉周邦新?尤政?潘健生徐濱士張立同劉合向巧鄭靜晨鄭南寧段寶巖李同保羅先剛吳漢明陳良惠方家熊梁駿吾凌永順韋鈺許祖彥姚駿恩葉聲華周壽桓唐明述24我國(guó)納米科學(xué)基礎(chǔ)研究部分領(lǐng)域走在世界前列極限測(cè)量、納米材料、納米器件、納米催化、納米生物安全等領(lǐng)域走在世界前列。極限化學(xué)測(cè)量量子反?；魻栃?yīng)納米限域催化納米酶掃描隧道顯微鏡納米安全新型石墨炔碳基芯片定向碳納米管仿生納米材料聚集誘導(dǎo)發(fā)光石墨烯的可控生長(zhǎng)介孔材料單原子催化納米機(jī)器人金屬納米結(jié)構(gòu)材料25中國(guó)納米科學(xué)和技術(shù)發(fā)揮國(guó)際品牌效應(yīng)和影響力ChinaNano2017創(chuàng)建了一系列納米科學(xué)和技術(shù)品牌系列學(xué)術(shù)會(huì)議；向全球發(fā)布系列《納米科學(xué)和技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》，打造納米戰(zhàn)略的中國(guó)思想庫(kù)，發(fā)揮引領(lǐng)作用；建設(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈納米技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研制共性技術(shù)平臺(tái)，響應(yīng)一帶一路計(jì)劃，提高我國(guó)國(guó)際貿(mào)易的標(biāo)準(zhǔn)供給水平，率先實(shí)現(xiàn)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大步走出去。ChinaNano國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議向全球發(fā)布：《納米科技發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》ChinaNanomedicine國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議納米能源與納米系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織納米技術(shù)委員會(huì),2019年,中國(guó)杭州26國(guó)內(nèi)納米科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r納米產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)蘇州納米工業(yè)園廣東納米谷初步形成納米科技領(lǐng)域具有影響力和國(guó)際知名度的技術(shù)、人才和產(chǎn)業(yè)基地。2018年底，園區(qū)累計(jì)引進(jìn)納米科技相關(guān)企業(yè)590家，就業(yè)人數(shù)3.47萬人，全年總產(chǎn)值660億元。培育出蘇大維格、南大光電、晶方半導(dǎo)體、錦富新材等龍頭企業(yè)。2022年我國(guó)納米材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)1955億元《前瞻產(chǎn)業(yè)研究院納米材料行業(yè)報(bào)告》（2020）上海地區(qū)浙江地區(qū)27納米工程：我國(guó)納米科學(xué)處于向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵期透射式電鏡、掃描電鏡（表征）芯片、光刻膠、真空蒸鍍機(jī)、ITO靶材、手機(jī)射頻器件（納米先進(jìn)制造）高端電容電阻（納米先進(jìn)制造、納米材料工程）觸覺傳感器（納米電子學(xué)及柔性電子學(xué)）燃料電池關(guān)鍵材料（納米化學(xué)、納米催化）航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、水下連接器（納米復(fù)合材料）鋰電池隔膜（納米化學(xué)、納米先進(jìn)制造）高端環(huán)氧樹脂（納米化學(xué)、納米催化）醫(yī)學(xué)影像設(shè)備元器件（納米醫(yī)學(xué)-造影劑等）19項(xiàng)納米科技專利轉(zhuǎn)化率約為美國(guó)1/3028中國(guó)面向2035：納米科學(xué)和技術(shù)發(fā)展空間與未來趨勢(shì)應(yīng)

納米粉體，納米涂層，用

納米復(fù)合材料，..….納米結(jié)構(gòu)材料（1990~2000）Iijima,etal.Nature1991碳納米管納米線Lieber,etal.Science,1998介孔分子篩Kresge,etal.Nature1992納米晶體Alivisatos,etal.Science,1998我們開始領(lǐng)跑應(yīng)

智慧醫(yī)療，生物安全用

醫(yī)療納米機(jī)器人，

智能載藥系統(tǒng)…...智能納米技術(shù)（2015~2035）中國(guó)跟跑應(yīng)

新能源電池，光電(LED)，用微納元器件，納米測(cè)量…...納米功能材料（2000~2015）力學(xué)性能Lu,etal.Science,2000電學(xué)性能Geim,etal.Science,2004Qiu,etal.Science,2013納米測(cè)量光電性能Peng,etal.Nature,2014中國(guó)并跑引領(lǐng)新工業(yè)革命面向世界科技前沿面向國(guó)家重大需求面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主場(chǎng)面向人民生命健康人工智能先進(jìn)制造智慧醫(yī)療納米科技29謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)高等材料化學(xué)納米材料的基本效應(yīng)納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料的基本效應(yīng)納米材料晶粒極小，比表面積較大，在晶粒表面無序排列的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶態(tài)材料表面原子所占的百分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致了納米材料具有傳統(tǒng)固體材料所不具備的許多特殊本征性質(zhì)，如表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等，從而使納米材料具有微波吸收性能、高表面活性、強(qiáng)氧化性、超順磁性及吸收光譜表現(xiàn)明顯的藍(lán)移或紅移現(xiàn)象等。除上述的基本特性，納米材料還在光學(xué)特性、催化特性、光電化學(xué)特性、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性、機(jī)械特性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。（1）表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。粒徑/nmCu的比表面積/m2·g-1表面原子/全部原子一個(gè)粒子中原子數(shù)比表面能/J·mol-11006.6-8.46×1075.9×1021066208.46×1045.9×1035-401.06×104-166099-5.9×104納米Cu顆粒的粒徑與比表面積、表面原子數(shù)比例、表面能和一個(gè)粒子中的原子數(shù)的關(guān)系由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。例如金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒，無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。（1）表面效應(yīng)納米粒子表面活性高的原因假定顆粒為圓形，實(shí)心圓代表位于表面的原子，空心圓代表內(nèi)部原子，顆粒尺寸為3nm，原子間距為約0.3nm很明顯，實(shí)心圓的原子近鄰配位不完全，存在缺少一個(gè)近鄰的“E”原子，缺少兩個(gè)近鄰的“D”原子和缺少3個(gè)近鄰配位的“A”原子，像“A”這樣的表面原子極不穩(wěn)定，很快跑到“B”位置上，這些表面原子一遇見其他原子，很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化，這就是活性的原因。實(shí)際上，這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面效應(yīng)的影響量子化：量子力學(xué)中，某一物理量的變化不是連續(xù)的，稱為量子化。如：各種元素都具有自己特定的光譜線，如氫原子和鈉原子分立的光譜線。氫原子光譜鈉原子吸收和發(fā)射光譜表面效應(yīng)的影響納米粒子的表面原子所處的位場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同。存在許多懸空鍵，配位嚴(yán)重不足，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定。所以具有很高的化學(xué)活性。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。一種Mxene表面負(fù)載FeN4原子簇的用于電催化氧氣還原的高效納米催化劑（2）量子尺寸效應(yīng)當(dāng)材料的尺寸下降到某一值時(shí)，系統(tǒng)形成一系列離散的量子能級(jí)，電子在其中運(yùn)動(dòng)受到約束，稱為量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)影響當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，這時(shí)必須要考慮量子尺寸效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。導(dǎo)電的金屬在制成超微粒子時(shí)就可以變成半導(dǎo)體或絕緣體。磁化率、比熱和催化活性與顆粒中電子奇偶數(shù)有關(guān)。光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)?！敖饘佟^緣體”轉(zhuǎn)化現(xiàn)象2008年3月美國(guó)Landman等人在《物理評(píng)論快報(bào)》報(bào)道，金納米線在有氧條件下被拉伸時(shí)首次發(fā)現(xiàn)納米尺度下的“金屬－絕緣體”轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。假如嵌入的是氧分子，金納米線能被拉伸得比正常情況下更長(zhǎng)。在一定長(zhǎng)度內(nèi)，被拉伸的氧化的金納米線仍能像純金納米線一樣導(dǎo)電，但超過這一長(zhǎng)度它就會(huì)變成絕緣體。氧化的金納米線輕微收縮后，又能恢復(fù)導(dǎo)電性。（3）小尺寸效應(yīng)定義當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。納米相材料在電子輸運(yùn)過程中的小尺寸效應(yīng)納米相材料存在大量的晶界，幾乎使大量電子運(yùn)動(dòng)局限在小顆粒范圍，對(duì)電子散射非常強(qiáng)。晶界原子排列越混亂，晶界厚度越大，對(duì)電子散射能力就越強(qiáng)。界面具有高能壘導(dǎo)致納米相材料的電阻升高。對(duì)電子的散射分為顆粒(晶內(nèi))散射和界面(晶界)散射貢獻(xiàn)兩個(gè)部分。當(dāng)小于電子平均自由程時(shí)，界面散射起主導(dǎo)作用，這時(shí)電阻與溫度的關(guān)系以及電阻溫度系數(shù)的變化都明顯地偏離粗晶情況，甚至出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。例如，電阻溫度系數(shù)變負(fù)值。小尺寸效應(yīng)的影響1、金屬納米相材料的電阻增大與臨界尺寸現(xiàn)象

（電子平均自由程）2、寬頻帶強(qiáng)吸收性質(zhì)

（光波波長(zhǎng)）3、激子增強(qiáng)吸收現(xiàn)象

（激子半徑）4、磁有序態(tài)向磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變（超順磁性）

（磁各向異性能）5、超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變

（超導(dǎo)相干長(zhǎng)度）6、磁性納米顆粒的高矯頑力

（單疇臨界尺寸）（4）庫(kù)侖堵塞（Coulombblockade）與量子隧道效應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體尺度進(jìn)入納米尺度時(shí)，充放電過程很難進(jìn)行，或充、放電過程變得不能連續(xù)進(jìn)行，即體系變得電荷量子化。這個(gè)能量稱為庫(kù)侖阻塞能。換句話說，庫(kù)侖阻塞能是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù)侖排斥能。這就導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體運(yùn)輸，而是一個(gè)一個(gè)的單電子傳輸。通常把小體系這種單電子輸運(yùn)行為稱庫(kù)倫堵塞效應(yīng)。（4）宏觀量子隧道效應(yīng)近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)Fe-Ni薄膜中疇壁運(yùn)動(dòng)速度在低于某一臨界溫度時(shí)基本上與溫度無關(guān)。于是，有人提出量子力學(xué)的零點(diǎn)振動(dòng)可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)，從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的弛豫時(shí)間，即在絕對(duì)零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。相似的觀點(diǎn)解釋高磁晶各向異性單晶體在低溫產(chǎn)生階梯式的反轉(zhuǎn)磁化模式，以及量子干涉器件中一些效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的意義與應(yīng)用量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的權(quán)限。宏觀量子隧道效應(yīng)限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25μm。量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。核心結(jié)構(gòu)為三勢(shì)壘隧道結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及高分辨電鏡照片該樣品正負(fù)偏壓下電導(dǎo)隨偏壓的依賴關(guān)系，插圖為電子在負(fù)偏壓下的隧穿示意圖（5）介電限域效應(yīng)定義介電限域是指納米顆粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中，由于界面引起的體系介電增強(qiáng)的現(xiàn)象，這種介電增強(qiáng)通常稱為介電限域。介電限域效應(yīng)主要來源于顆粒表面和顆粒內(nèi)部局域場(chǎng)的增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)的折射率比顆粒的折射率相差很大時(shí)，產(chǎn)生折射率邊界，從而導(dǎo)致顆粒表面和內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)強(qiáng)明顯增加，這種局域場(chǎng)的增強(qiáng)稱為介電限域。49謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)高等材料化學(xué)納米材料的分類及其特性納米材料可以從尺度、物相、導(dǎo)電性能等不同視角進(jìn)行分類。在納米科學(xué)研究中通常按維度分為以下四類：

零維納米材料：在空間三維方向上都為納米尺度，如納米顆粒等；

一維納米材料：在空間的某二維方向上都為納米尺度，如納米線、納米管、納米棒等；

二維納米材料：在空間的某一維方向上為納米尺度，如納米片、薄膜等；

三維納米材料：主要是由納米晶構(gòu)成的體材料。納米顆粒納米棒納米片納米片組成的微米球納米材料零維納米材料一維納米材料三維納米材料二維納米材料納米粒子納米球納米洋蔥納米粉納米晶粒納米線納米棒納米晶須納米管納米帶納米環(huán)納米薄膜納米殼納米圓盤納米喇叭納米花納米多層膜納米陣列納米多孔材料納米彈簧納米復(fù)合材料第一部分零維納米材料零維納米材料是指在三個(gè)維度上都進(jìn)入了納米尺度范圍的材料零維納米材料主要包括：1.團(tuán)簇（clusters）2.納米顆粒（nanoparticle）零維納米材料原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇是在20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)的，它是指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整數(shù)）和碳簇（C60、C70、富勒烯）等。原子團(tuán)簇的性質(zhì)既不同于單個(gè)原子和分子，又不同于固體和液體，而是介于氣態(tài)和固態(tài)之間物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新形態(tài)，常被稱為“物質(zhì)第五態(tài)”。57原子團(tuán)簇一元原子團(tuán)簇二元原子團(tuán)簇（如InnPm、AgnSm等）多元原子團(tuán)簇（如Vn(C6H6)m等）原子簇和原子簇化合物金屬團(tuán)簇（如Nan）非金屬團(tuán)簇碳簇（富勒烯等）非碳簇（如B、P簇等）原子團(tuán)簇具有碩大的比表面積而呈現(xiàn)出表面或界面效應(yīng)；幻數(shù)效應(yīng)；

形狀和對(duì)稱性多種多樣“庫(kù)倫爆炸”是自然界中的一種與電荷相關(guān)的基本相互作用之一。例如當(dāng)一個(gè)金屬球充電以后，電荷與電荷之間的相互排斥作用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的能量升高。當(dāng)電荷量超過了臨界值（瑞利不穩(wěn)定極限）時(shí)，金屬球會(huì)發(fā)生爆炸而分裂成幾個(gè)小球，并以此來降低系統(tǒng)的庫(kù)侖排斥能。原子團(tuán)逸出功的振蕩行為等。原子團(tuán)簇的獨(dú)特性質(zhì)原子團(tuán)簇目前炙手可熱的“足球烯”正是原子團(tuán)簇的典型代表，當(dāng)前能大量制備并分離的團(tuán)簇是C60及其他富勒烯。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的碳的同素異形體金剛石結(jié)構(gòu)和石墨層狀結(jié)構(gòu)完全不同。而且物理性質(zhì)很奇特。純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體。此外，C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性。典型代表金剛石石墨C60原子團(tuán)簇納米粒子納米粒子(Nano-particle,NP)，一般是指粒度在100nm以下的固體粉末或納米顆粒。納米粒子按組成可分為：無機(jī)納米顆粒、有機(jī)納米顆粒和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米粒子。無機(jī)納米粒子包括金屬與非金屬(半導(dǎo)體、陶瓷、鐵氧體等），有機(jī)納米粒子主要包括高分子和納米藥物。SiO2Au納米粒子納米晶納米粒子SiO2膠體微球PS膠體微球熱學(xué)性質(zhì)納米粒子特性相較于常規(guī)粉體納米粒子的：熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度、晶化溫度均低得多比熱容增加金微粒的粒徑與熔點(diǎn)的關(guān)系磁學(xué)性質(zhì)納米粒子尺才小到一定臨界值時(shí)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，即只有在磁場(chǎng)中才表現(xiàn)出磁性納米微粒尺寸大于超順磁臨界尺寸時(shí)呈現(xiàn)較高的矯頑力納米粒子的居里溫度隨其粒度的下降而有所下降納米粒子的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)納米Ni微粒升溫過程V(?)隨溫度變化曲線納米粒子特性納米粒子特性光學(xué)性質(zhì)寬頻帶強(qiáng)吸收：納米顆粒對(duì)紅外線的吸收譜寬化的現(xiàn)象，與塊體材料相比對(duì)光吸收能力增強(qiáng)30nm15nm5nm納米粒子特性光學(xué)性質(zhì)藍(lán)移與紅移現(xiàn)象：納米粒子與大塊材料相比,吸收帶普遍移向短波方向，即“藍(lán)移”現(xiàn)象。在一些情況下，粒徑減小至納米級(jí)時(shí),可以觀察到光吸收帶相對(duì)粗晶材料呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象,即吸收帶移向長(zhǎng)波方向。通常認(rèn)為，紅移和藍(lán)移兩種因素共同發(fā)揮作用，結(jié)果視孰強(qiáng)而定。隨著粒徑的減小，量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致藍(lán)移；而顆粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化。電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級(jí)間距變窄，從而引起紅移。納米粒子特性光學(xué)性質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象：納米粒子的尺才小到一定值時(shí)，可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。納米粒子特性吸附特性吸附是相互接觸的不同相之間產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象依據(jù)作用力的不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附

物理吸附：依靠吸附劑和吸附相之間的分子間作用力等較弱物理作用而結(jié)合，容易脫附

化學(xué)吸附：依靠化學(xué)鍵產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附，難脫附吸附作用將對(duì)納米顆粒的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生許多重要的影響，如提高化學(xué)反應(yīng)程度、促進(jìn)化學(xué)催化和光催化納米粒子特性吸附與團(tuán)聚納米顆粒相互靠近時(shí)，其間的相互作用包括分子間作用力和靜電斥力，由此可分別產(chǎn)生顆粒間相互作用的引力位能和排斥力位能一定條件下，排斥力位能與粒徑平方成反比；引力位能與粒徑成正比因此隨粒徑的減小，排斥力位能減小幅度要遠(yuǎn)小于引力位能，總作用能表現(xiàn)為引力位能，顆粒間相互作用表現(xiàn)為引力，因此顆粒很容易發(fā)生團(tuán)聚，這位納米顆粒的收集和存儲(chǔ)都帶來困難為解決此問題，需對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性，或?qū)⑵浞稚⒃谌芤褐斜４婕{米粒子特性化學(xué)催化催化劑的結(jié)構(gòu)單元絕大多數(shù)為納米顆粒納米顆粒的尺寸小，比表面積大、表面活性中心多，因此具有極高的催化活性例如：納米級(jí)的Ni、Cu和Zn粉都是極好的催化劑，可替代昂貴的Pt和Pb30nm的Ni可使催化加氫和脫氫反應(yīng)提高15倍納米Ni作為火箭固體燃料的反應(yīng)催化劑，可提高燃燒效率100倍納米級(jí)Pt可將乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降為室溫催化劑的粒徑越小，比表面積越大，催化效果越好納米粒子特性光催化納米半導(dǎo)體顆粒的光催化性能是一種獨(dú)特的性能可實(shí)現(xiàn)多種催化反應(yīng)，并且有些是多相催化難以實(shí)現(xiàn)的，例如：醇和烴的氧化無機(jī)離子氧化還原有機(jī)物催化脫氫和加氫氨基酸合成固氮反應(yīng)水凈化處理及煤氣交換此類材料的典型代表就是TiO272謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)第二部分一維納米材料一維納米材料橫截面：結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)度：幾百納米至幾毫米定義：在兩個(gè)維度上為納米尺度的材料納米線納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100nm以下（縱向沒有限制）的一維結(jié)構(gòu)。典型的納米線的縱橫比在1000以上種類：金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導(dǎo)體納米線（如：InP，Si，GaN等）和絕緣體納米線（如：SiO2，TiO2等）這類材料具有奇特的物理化學(xué)性質(zhì)，例如：金屬向絕緣體過渡、超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、高的發(fā)光效率、較低的激光閾值及增強(qiáng)的熱電系數(shù)等。納米線材料在新型的納米器件、各種傳感器、微工具、微電極、器件集成連接線以及下一代的

顯示器件等具有極其重要的地位。水熱法合成的Sb2Se3納米線ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,35219?352261μm納米線在藍(lán)寶石襯底上的定向生長(zhǎng)氧化鋅納米線，首次成功制備納米激光器Science

292;1897(2001)納米線單根同軸Si納米線太陽(yáng)能電池Nature449;885-889(2007)納米線單根納米線電化學(xué)儲(chǔ)能器件分級(jí)MnMoO4/CoMoO4異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線Nat

Commun

2,

381(2011)NanoLett.2010,10,4273–4278;熱性能納米線特性退火溫度低有利于無缺陷納米線的制備(熔融－重結(jié)晶)有利于在較低溫度下進(jìn)行納米線之間的焊接、切割、連接，以制備功能器件及電路兩根Ge納米線（外包覆碳層）熔融、流動(dòng)及焊接過程兩頭先熔，再向中間延伸，直徑越小，熔點(diǎn)越低力學(xué)性能納米線特性單晶納米棒，結(jié)晶好，無缺陷，力學(xué)性能強(qiáng)

例：SiC納米棒的楊氏模量610~660GPa,理論~600GPa可作為高強(qiáng)復(fù)合材料的填料在納米線的橫截面尺寸和長(zhǎng)度下降到一定尺寸時(shí)，環(huán)境溫度和殘余應(yīng)力變化對(duì)納米線的穩(wěn)定性影響很大，易發(fā)生斷裂納米線特性電性能金屬納米線，尺寸下降后變?yōu)榘雽?dǎo)體例：Bi納米線，52

nm時(shí)產(chǎn)生金屬半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變Si納米線，~15

nm時(shí)變?yōu)榻^緣體應(yīng)用：(1)納米線組裝成陣列，具有儲(chǔ)存密度大、材料選擇范圍寬等優(yōu)點(diǎn)(2)金屬納米線填充于聚合物時(shí)，與納米粒子相比，用量可大大降低，從而減少金屬的消耗，減輕電子裝置重量用作納米電極，用于電化學(xué)分析和檢測(cè)(3)CdSe納米棒＋聚噻吩制成雜化材料，用于太陽(yáng)能電池，性能優(yōu)于CdSe量子點(diǎn)（因?yàn)镃dSe納米棒在較低能量下就可以傳輸電子）納米線特性電性能ZnO納米線的壓電效應(yīng)美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林教授發(fā)現(xiàn)了氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)，制造了納米電機(jī)；并提出了納米壓電電子學(xué)概念壓縮面：負(fù)電荷，拉伸面：正電荷納米線在外力F作用下(b)應(yīng)變、(c)電場(chǎng)和(d)電勢(shì)的分布光學(xué)性能納米線特性發(fā)射光譜的各向異性：納米線發(fā)出的光沿著軸向偏振，平行于軸向的發(fā)射光譜強(qiáng)度大，垂直于軸向的發(fā)射光譜強(qiáng)度弱，可制成極化敏感光子檢測(cè)器，用于光子集成電路、光學(xué)開關(guān)光致發(fā)光的滲逾現(xiàn)象：ZnO納米線陣列激發(fā)發(fā)射紫外光光學(xué)性能納米線特性光電導(dǎo)性：ZnO納米線在385nm紫外線照射下，電導(dǎo)率從>3.5M?.cm-1，下降4~6個(gè)數(shù)量級(jí)，可用于光學(xué)開關(guān)、紫外光探測(cè)器。光學(xué)性能納米線特性不同波長(zhǎng)光照下產(chǎn)生的光電流ΔI：光暗電流差

；P

：?jiǎn)胃{米線的光照度；S

：?jiǎn)胃{米帶光照面積；λ

：光照波長(zhǎng)；1：

SnO2納米線比表面積大氧吸附：O

2

(g)

+

e

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→

O

2

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(ad)解吸附：

h

+

+

O

2

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→

O

2

(g)延長(zhǎng)了載流子壽命SnO2納米線--紫外光探測(cè)器2：

SnO2納米線單晶結(jié)構(gòu)缺陷少，載流子遷移率高化學(xué)敏感特性納米線特性利用表面吸附分子對(duì)納米線電導(dǎo)率的影響，用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域例：①Cu納米線—有機(jī)分子②半導(dǎo)體納米線—化學(xué)生物傳感③單晶SnO2納米線—室溫NO2光化學(xué)傳感器，而SnO2顆?；虮∧ば柙?00~500℃下操作納米管種類：碳納米管、硅納米管、Pd納米管、BN納米管形狀：細(xì)長(zhǎng)形狀并具有空心結(jié)構(gòu)碳納米管是納米管的典型代表。理想碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體。石墨烯的片層一般可以從一層到上百層，含有一層石墨烯片層的稱為單壁碳納米管，多于一層的則稱為多壁碳納米管碳納米管單壁碳納米管多壁碳納米管力學(xué)性能：強(qiáng)度接近于C-C鍵的強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的柔性以及可彎曲性電學(xué)特性：電子在碳納米管中通常只能在同層石墨片中沿者碳納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，沿徑向的運(yùn)動(dòng)將受到很大限制。不同類型的碳納米管，導(dǎo)電性能也不相同碳納米管的特性碳納米管的特性碳納米管對(duì)光吸收具有強(qiáng)烈的方向選擇性，偏振方向平行管軸方向時(shí)吸收最強(qiáng)，偏振方向垂直管軸方向時(shí)吸收最弱。碳納米管在紅外激光激發(fā)下可發(fā)射出強(qiáng)烈的可見光，具有卓越的發(fā)光特性碳納米管燈絲具有發(fā)光效率高、電阻恒定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)熱學(xué)性能：碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)是自然界已知材料中最高，是電子設(shè)備中的高效的散熱材料光學(xué)性能：碳納米管的應(yīng)用碳納米管芯片碳納米管纖維導(dǎo)電劑同軸納米電纜同軸納米電纜是一種芯部為半導(dǎo)體或?qū)w的納米絲，外面包覆異質(zhì)納米殼體(導(dǎo)體或非導(dǎo)體），外部殼體和芯部絲共軸的準(zhǔn)一維納米材料，相對(duì)于組成電纜的單一材料，它會(huì)顯示出一些新的性質(zhì)，在眾多高精尖端技術(shù)領(lǐng)域具有十分誘人的應(yīng)用前景。同軸納米電纜的應(yīng)用超高密度集成線路中元件連接線微型工具和微型機(jī)器人部件納米尺寸的微鉆頭：要求高強(qiáng)、超硬和超熱導(dǎo)系數(shù)，如TaC芯線同軸納米電纜探針針尖2 5Ta

O

＋蜂蜜Ar氣氛炭熱還原SiO2蒸發(fā)凝聚TaC納米絲SiO2/TaC同軸納米電纜同軸納米電纜的應(yīng)用電極材料壓阻式傳感器太陽(yáng)能電池材料納米帶納米帶具有長(zhǎng)方形截面，厚度在納米量級(jí)，寬度可達(dá)幾百納米，非常薄的長(zhǎng)條形納米結(jié)構(gòu)，既不同于納米管的中空結(jié)構(gòu)，又不同于納米線的實(shí)心圓柱狀結(jié)構(gòu)，是具有結(jié)構(gòu)可控且無缺陷的寬帶半導(dǎo)體準(zhǔn)一維帶狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是用于研究一維功能材料和智能材料中光、電、熱輸運(yùn)過程的理想體系，可以使科學(xué)家用單根氧化物納米帶做成納米尺寸的氣相、液相傳感器和敏感器或納米功能及智能光電元件。納米帶的應(yīng)用光電探測(cè)器納米氣敏傳感器97謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)第三部分二維納米材料二維納米材料結(jié)構(gòu)：二維材料是一種具有片狀形態(tài)的納米材料，尺寸范圍為數(shù)百納米到數(shù)十微米乃至更大的橫向尺寸，但厚度僅為單個(gè)或幾個(gè)原子層超薄膜(UltrathinMembrane)、多層膜(MultilayerMembrane)、超晶格(Superlattices)等定義：在一個(gè)維度上為納米尺度的材料（1）單質(zhì)類（Elements）（2）金屬化合物類(Metalliccompounds)（3）非金屬化合物類(Nonmetalliccompounds)（4）有機(jī)物（Organics）（5）鹽類（Salts）（1）單質(zhì)類石墨烯黑磷（BP）二維金屬材料半導(dǎo)體烯結(jié)構(gòu)石墨烯石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體，其厚度為0.335nm，碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中。電子顯微鏡下觀測(cè)的石墨烯片，其碳原子間距僅0.142nm。石墨烯可看作是其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本構(gòu)建模塊，它可以被包成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或堆疊成三維的石墨。C60CarbonnanotubeGraphite黑磷黑磷(BP)是磷的同素異形體，呈單層褶皺的蜂巢結(jié)構(gòu)，每個(gè)磷原子和其他3個(gè)磷原子成鍵，其中3個(gè)磷原子在同一平面，第4個(gè)則位于平行的相鄰面上。同石墨類似，黑磷塊體也由vanderWaals力連接的片層黑磷構(gòu)成。二維金屬材料鉍烯呈二維搓板狀六角結(jié)構(gòu)。二維金、銀、銅、鉑、銥、鈀和鋁都具有類石墨烯的六角蜂巢結(jié)構(gòu)。在二維鐵的單原子層中，鐵原子呈正方形排列，而二維鈷、鎳、釕、銠中的原子呈菱形排列鉍烯金納米片半導(dǎo)體烯類半導(dǎo)體烯結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，是為彌補(bǔ)石墨烯零帶隙的不足而發(fā)展起來的硅烯、鍺烯、錫烯、砷烯、銻烯、硼烯等（2）金屬化合物類層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）層狀金屬三氧化物金屬鹵化物金屬磷三硫族化物層狀金屬硫族化物層狀過渡金屬硫族化合物（TMDs）過渡金屬碳/氮/碳氮化物（MXenes）過渡金屬鹵氧化物層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）通式為[Mz+1–xM3+x(OH)2][An–]x/n·yH2O，其中，Mz+一般為Mg2+、Zn2+或Ni2+，M3+一般為Al3+、Ga3+、Fe3+或Mn3+，An–是用于平衡電荷的非框架負(fù)離子，如CO32–、Cl–、SO42–、RCO2–。單片層由中心是金屬離子、頂點(diǎn)為羥基的正八面體通過共用頂點(diǎn)連接而成，片層間為負(fù)離子和溶劑分子層狀金屬三氧化物通式為MO3（M=Mo、Ta、W等）一種由扭曲正八面體連接而成，另一種是由扭曲的三角雙錐多面體組成MoO3α-V2O5金屬鹵化物金屬和鹵素組成的無機(jī)化合物以CrCl3為例說明其層狀結(jié)構(gòu)，Cl–呈近立方體緊密堆積，Cr3+在交互的Cl–層間占據(jù)其中2/3的八面體空隙，即由CrCl6共用棱邊形成層狀結(jié)構(gòu)CrCl3金屬磷三硫族化物通式為APX3（A=MII,MI0.5MIII0.5；X=S,Se，MI、MII和MIII分別表示I、II、III主族金屬元素）為單斜結(jié)構(gòu)的層狀材料NiPS3層狀金屬硫族化物通式為MX（M=Ga,In，X=S,Se,Te）以GaSe為例，通過vanderWaals力按Se—Ga—Ga—Se層順序依次堆疊，相鄰層間距為0.84nm，每層中原子呈六邊形分布GaSe層狀過渡金屬硫族化合物（TMDs）TMDs是由過渡金屬元素和硫族元素(S、Se或Te)組成的化合物層與層之間以vanderWaals力連接，TMD單層內(nèi)含3個(gè)原子層，過渡金屬元素夾在硫族元素層之間。這種化合物的一個(gè)顯著特點(diǎn)是根據(jù)元素配位方式和層片堆疊順序的不同，可形成多種晶體多型體MoS2過渡金屬碳/氮/碳氮化物(MXenes)MXenes是選擇性刻蝕三維MAX相(M是前過渡金屬，A是第13、14族元素，X是碳或氮)中的A元素得到，M原子呈六方密堆積排布，X原子填充在其八面體空隙，A原子與M原子金屬鍵和，并交錯(cuò)排布在Mn+1Xn層間，刻蝕劑將A原子層刻蝕掉而得到層片狀MXenes，并在表面修飾F–和OH–等離子，再經(jīng)剝離得到單層MXene過渡金屬鹵氧化物通式為MOX(M為Fe、Cr、V或Ti，O是氧元素，X是鹵素）每層中金屬-氧的波浪狀平面夾在兩層鹵素原子層間FeOCl（3）非金屬化合物類氧化石墨烯（GO）六方氮化硼（h-BN）石墨型氮化碳（g-C3N4）氧化石墨烯（GO）氧化石墨烯(GO)是由強(qiáng)酸氧化石墨烯得到的石墨烯衍生物，表面及邊緣修飾有含氧官能團(tuán)，基本保留了石墨烯的片層結(jié)構(gòu)六方氮化硼六方氮化硼(h-BN)是碳、氮原子等比例共價(jià)連接成的類石墨結(jié)構(gòu)。其晶格失配比、層間距都與石墨高度相似。最大的不同在于它們的層間堆垛結(jié)構(gòu)，絕大部分石墨屬于AB堆垛結(jié)構(gòu)而大多數(shù)六方氮化硼則屬于AA‘的堆垛結(jié)構(gòu)。由于六方氮化硼晶體呈白色粉末狀，又習(xí)慣把它稱作“白石墨”石墨六方氮化硼石墨型氮化碳g-C3N4存在兩種結(jié)構(gòu)，一是具有周期性排列的碳原子空位的均三嗪亞單元密堆積結(jié)構(gòu)，二是具有更大周期性空位的由叔胺基連接的三均三嗪亞單元密堆積結(jié)構(gòu)。此外，以硼原子替換g-C3N4中的碳原子可得到二維硼碳氮(BCN)g-C3N4（4）有機(jī)物類層狀金屬有機(jī)骨架化合物層狀共價(jià)有機(jī)骨架化合物層狀金屬有機(jī)骨架化合物（MOFs）MOFs是由金屬離子或團(tuán)簇通過與有機(jī)配體分子配位形成的一類多孔晶體化合物。金屬離子或簇合物可以作為二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，主要包括過渡金屬、主族金屬、堿金屬、堿土金屬、鑭系金屬和錒系金屬。有機(jī)配體通常是含有羧酸鹽、膦酸鹽、磺酸鹽和雜環(huán)化合物，可以是雙、三或四配位的形式等。此外，這些結(jié)構(gòu)單元中的金屬原子數(shù)量從1到8個(gè)或更多。結(jié)合不同的有機(jī)配體和不同的金屬離子或結(jié)構(gòu)單元，所生成的MOFs具有廣泛的框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和豐富的種類（超過20,000種）Zn-TCPPMOF層狀共價(jià)有機(jī)骨架化合物（COFs）COFs是多孔晶體材料，由輕元素如H、B、C、N和O組成的有機(jī)單元共價(jià)連接形成。有機(jī)結(jié)構(gòu)單元共價(jià)整合到有序結(jié)構(gòu)中，形成周期性多孔COF框架。單層COF片通過強(qiáng)共價(jià)鍵形成。單個(gè)層可以通過范德華相互作用堆疊，以形成具有平行于堆疊方向的具有周期性排列通道的塊狀晶體。（5）鹽類無機(jī)鈣鈦礦型化合物層狀鋁硅酸鹽無機(jī)鈣鈦礦型化合物通式為AMX3(A和M均為陽(yáng)離子，X是O2–、Cl–、Br–或I–)M與X配位形成MX6八面體結(jié)構(gòu)，M位于八面體的中心，X位于頂點(diǎn)處，A位于八面體空隙中來平衡電荷，八面體之間共用頂點(diǎn)即得到三維結(jié)構(gòu)CaTiO3層狀鋁硅酸鹽根據(jù)四面體硅酸鹽層和八面體氫氧化物層的比例分為1:1和2:1兩種，每個(gè)SiO4四面體之間共用3個(gè)頂點(diǎn)氧原子形成硅酸鹽層，第4個(gè)頂點(diǎn)氧原子不共用并指向同側(cè)，與氫原子結(jié)合形成OH–組成八面體氫氧化物層，另外還會(huì)存在夾層陽(yáng)離子來平衡電荷謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)第四部分三維納米材料三維納米材料三維納米結(jié)構(gòu)(3DNanostructure)是指由零維、一維、二維中的一種或多種基本結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合材料,其中包括：橫向結(jié)構(gòu)尺才小于100nm的物體；納米微粒與常規(guī)材料的復(fù)合體；粗糙度小于100nm的表面；納米微粒與多孔介質(zhì)的組裝體系等納米介孔材料納米玻璃納米陶瓷納米高分子三維納米材料納米介孔材料納米介孔材料以表面活性劑分子聚集體為模板，利用溶膠-凝膠

(sol-gel)、乳化

(emulsion)、微乳化

(microemulsion)等化學(xué)過程，通過有機(jī)物和無機(jī)物之間的界面作用組裝生成的一類孔徑在2-50

nm之間、孔徑分布窄且具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)多孔固體材料。定義132納米介孔材料孔徑小于2nm孔徑在2~50nm之間孔徑大于50nm微孔材料介孔材料大孔材料氣凝膠、多孔玻璃、活性炭無機(jī)硅膠、柱撐層狀粘土和介孔分子篩（如M41S系列、SBA系列等介孔材料133納米介孔材料特性比表面積大介孔孔徑均一可調(diào)骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于摻雜其他組分顆粒外形豐富多彩內(nèi)表面易于修飾水、熱穩(wěn)定性較好在催化、吸附、離子交換、主客體材料化學(xué)及光，電、磁等方面有著廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值介孔材料的分類介孔材料按其孔道特征可分為無序介孔材料和有序介孔材料無序介孔材料的孔徑分布較寬，孔型形狀復(fù)雜不規(guī)則，且互不連通，制備相對(duì)簡(jiǎn)單有序介孔材料的孔在空間呈規(guī)則排列。按照化學(xué)組成的不同，有序介孔材料一般劃分為硅基材料和非硅基材料兩大類。M41S系列介孔材料包括：二維六方的MCM-41、雙連續(xù)立方的MCM-48和層狀的MCM-50。M41S介孔材料是在用陽(yáng)離子表面活性劑作為模板劑合成的，首次在介孔材料合成中引入了超分子組裝體的模板的概念，被認(rèn)為是新一代介孔材料誕生的標(biāo)志。高度有序的二維六方孔道結(jié)構(gòu)M41S系列高度有序的立方孔道結(jié)構(gòu)該系列的介孔材料是在酸性介質(zhì)中合成得到的SBA-1，2，3，7是以陽(yáng)離子表面活性劑為模板劑在強(qiáng)酸性條件下合成的SBA-11，12，14，15，16是以嵌段聚合物如聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷(PEO-PPO-PEO)

等為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑在強(qiáng)酸條件下合成的SBA系列Adv.Mater.1998,10,No.16復(fù)旦大學(xué)趙東元院士等人合成的介孔氧化硅分子篩命名為FDUFDU系列Angew.Chem.Int.Ed.2003,42,3146–3150是采用陰離子表面活性劑作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，以含氨基的硅源3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和含季銨鹽的硅源N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化銨（TMAPS）作為助結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑合成得到的該類材料具有均勻分布的有機(jī)官能團(tuán)，可控的介孔結(jié)構(gòu)及孔徑大小AMS系列Chem.Mater.,Vol.20,No.12,2008利用手性的氨基酸表面活性劑和助結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑以及硅源合成的一類新型的介孔硅材料，即手性介孔硅材料，其外形為螺旋六方棒狀，內(nèi)部具有螺旋孔道結(jié)構(gòu)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅進(jìn)一步拓展了介孔材料的合成體系，而且為催化分離、藥物的選擇性吸附等開創(chuàng)了廣闊的應(yīng)用前景。AMS系列HMS系列是利用長(zhǎng)鏈伯胺分子做模板劑合成的一類有序度不高的介孔材料。與利用陽(yáng)離子表面活性劑合成的介孔材料相比，HMS材料的孔壁較厚、熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性都有所提高，并且具有反應(yīng)條件溫和、模板劑可以回收利用等優(yōu)點(diǎn)。MSU系列：這是一類用聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑為模板合成的孔道為蠕蟲狀的介孔材料。這種結(jié)構(gòu)有利于客體分子在孔道內(nèi)的擴(kuò)散，消除擴(kuò)散限制。KIT系列：KIT-1是一種結(jié)構(gòu)無序的介孔氧化硅材料。KIT-6是在PluronicP123（EO20PO70EO20）導(dǎo)向下，通過添加正丁醇而得到的具有立方Ia3d結(jié)構(gòu)的介孔氧化硅材料。介孔材料的應(yīng)用有序介孔材料具有較大的比表面積，相對(duì)大的孔徑以及規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，可以處理較大的分子或基團(tuán)，是很好的“擇形”催化劑。特別是在催化有大體積分子參加的反應(yīng)中，有序介孔材料顯示出優(yōu)于沸石分子篩的催化活性。因此，有序介孔材料的使用為重油、渣油等催化裂化開辟了新天地。介孔材料在酸催化中的應(yīng)用主要集中在石油加工過程，在孔壁上有酸性的MCM-41可作為大分子裂化的催化劑，也是加氫異構(gòu)化、加氫裂解和烯烴低聚低聚反應(yīng)過程的優(yōu)良催化劑。與傳統(tǒng)的USY、ZSM-5分子篩相比，MCM-41在催化裂解表現(xiàn)出活性高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)?；ゎI(lǐng)域143細(xì)胞/DNA的分離控釋藥物酶、蛋白質(zhì)等的固定與分離一般生物大分子如蛋白質(zhì)、酶、核酸等，當(dāng)它們的分子質(zhì)量大約在1~100萬之間時(shí)尺寸小于10nm，相對(duì)分子質(zhì)量在1000萬左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔徑可在2~50nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)和無生理毒性的特點(diǎn)使其非常適用于酶、蛋白質(zhì)等的固定和分離生物醫(yī)藥領(lǐng)域介孔材料的應(yīng)用144介孔材料具有開放性孔道結(jié)構(gòu),窄的孔徑分布及很高的比表面積和孔容,可作為良好的環(huán)境凈化材料。環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域降解有機(jī)廢物：介孔TiO2比納米TiO2有更高的比表面積氣體吸附劑汽車尾氣處理水質(zhì)凈化介孔材料的應(yīng)用介孔材料的應(yīng)用分離科學(xué)領(lǐng)域吸附劑分離無機(jī)物分離有機(jī)小分子分離生物大分子和藥物分子色譜固定相有序介孔材料由于其孔徑分布窄、比表面積大,作為色譜固定相，有序介孔硅膠的比表面可高達(dá)1600m2/g,孔徑分布窄,并且由于孔形狀和大小均一而有利于傳質(zhì),有望成為具備良好分離能力的色譜填料。介孔材料的應(yīng)用146儲(chǔ)能材料領(lǐng)域有序介孔材料具有寬敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或Pd、Li等儲(chǔ)能材料，增加這些儲(chǔ)能材料的易處理性和表面積，達(dá)到傳遞儲(chǔ)能的效果。介孔材料的應(yīng)用147功能材料領(lǐng)域功能材料在納米孔道內(nèi)的組裝介孔材料高的比表面積、規(guī)則有序的較沸石類分子篩大的孔徑以及表面豐富的硅醇鍵使之非常適宜作為主體材料進(jìn)行金屬、金屬氧化物和金屬有機(jī)化合物等客體材料在其孔道內(nèi)的組裝，從而形成主客體材料。如果客體材料具有催化活性，則介孔材料主體就是催化劑的一種特殊載體，催化劑全部或部分被負(fù)載于主體材料的孔道內(nèi)，這種主客體材料也成為一類特殊的負(fù)載型催化材料。納米玻璃納米玻璃納米玻璃是指在透明玻璃連續(xù)相中周期排列著納米尺寸的第二相（微粒、分相、結(jié)晶或氣孔）的玻璃材料玻璃的特點(diǎn)是透明、熱或光化學(xué)穩(wěn)定性好，并具有無定形結(jié)構(gòu)能容納不同晶格常數(shù)的納米尺度量子點(diǎn)而產(chǎn)生較少界面缺陷，是比較理想的基體材料納米功能顆粒與玻璃相之間通過相的復(fù)合，可以獲得具有一系列特殊性能的功能材料150納米玻璃的應(yīng)用光學(xué)功能材料不受溫度影響的玻璃超高亮度發(fā)光玻璃高性能過濾器用玻璃光開關(guān)用非線性玻璃光波控制用玻璃超高強(qiáng)度玻璃151光學(xué)功能材料納米玻璃是構(gòu)筑能與光兆比特多媒體相適應(yīng)的光子材料的研究基礎(chǔ)納米玻璃在吸收線附近的強(qiáng)光作用下不但具有很強(qiáng)的光學(xué)非線性和快的光響應(yīng)速度等特性，而且具有超寬帶域放大、開關(guān)和合、分波等功能，是研制光波導(dǎo)、光開關(guān)、光傳輸、光放大，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光合分波器、波長(zhǎng)分波器、波長(zhǎng)選擇濾波器等光電子器件和設(shè)備的理想材料，在光計(jì)算、光通信、光信息處理和電光效應(yīng)的器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)際光學(xué)功能材料研究的熱點(diǎn)之一152不受溫度影響的玻璃通過調(diào)整玻璃組成并利用激光照射、附加超高壓等技術(shù)，使玻璃中析出一種不破壞透明性的納米微晶體(Nanoerystallite)，從而獲得一種性能與溫度無關(guān)的原材料（即使當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其尺寸和折射率也完全不發(fā)生變化的玻璃）例如用于1000多重波（復(fù)式波）超大容量光傳輸設(shè)備的材料。153超高亮度發(fā)光玻璃把發(fā)光超微粒子高濃度穩(wěn)定地保持在玻璃中，就能得到用于顯示裝置和夜間照明設(shè)備的發(fā)光玻璃。如用反微膠囊法制備的直徑為幾十納米的玻璃微粒中平均添加1個(gè)半導(dǎo)體超微粒子，然后使該微粒（微膠囊）均勻地分散在玻璃連續(xù)相中并規(guī)則排列，可大幅度提高其發(fā)光效率發(fā)光超微粒子154高性能過濾器用玻璃在通過激發(fā)而分相、晶化(Crystallization)的玻璃中，如能形成周期性的、控制在幾納米以下的氣孔，就能高效地去除環(huán)境激素等有害物質(zhì)，制成納米過濾器元件155光開關(guān)用非線性玻璃含有超微粒子的材料具有顯著的量子效應(yīng)(QuentumEffect)。例如，粒子在微米尺寸時(shí)幾乎不表現(xiàn)的量子閉合效應(yīng)，當(dāng)進(jìn)入納米尺度時(shí)，即發(fā)生以紅色著色的表面等離子體激元效應(yīng)和在鄰近場(chǎng)發(fā)生相互作用的界面效應(yīng)(InterfaceEffect)。如果從周圍附加光電場(chǎng)，其吸光度將變大，從而具有了光學(xué)非線性特性，有可能作為超高速開關(guān)應(yīng)用在創(chuàng)造新一代光子學(xué)材料方面，把這些納米級(jí)的超微粒子在保持透光性的同時(shí)嵌入玻璃材料中，并通過電磁場(chǎng)等外場(chǎng)進(jìn)行排列等超微細(xì)控制，對(duì)發(fā)現(xiàn)新功能很有意義156光波控制用玻璃用超短脈沖激光聚光照射玻璃內(nèi)部或表面，使玻璃的被照射區(qū)域在激光的誘導(dǎo)下發(fā)生折射率提高、結(jié)晶或分相。在玻璃表面或內(nèi)部，形成大小為光波長(zhǎng)的1/2至1/4、折射率與基質(zhì)玻璃不同的周期結(jié)構(gòu)，可制造能將光信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)波、分波的微小設(shè)備超高強(qiáng)度玻璃通過改變組成提高玻璃整體的強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上再加上在玻璃表面附近透明的分相與結(jié)晶化，以及在表面有機(jī)-無機(jī)復(fù)合的表面涂層技術(shù)，防止裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，可能開發(fā)出更薄、更高強(qiáng)度的玻璃材料若通過在玻璃基板的表層形成納米尺度的異質(zhì)層,可實(shí)現(xiàn)基板的高強(qiáng)度化和超平坦化，就可能獲得高速運(yùn)轉(zhuǎn)、高速讀取的大容量光盤超高硬度（110~116GPa）納米玻璃158納米玻璃的應(yīng)用自清潔納米玻璃防火納米玻璃隔熱納米玻璃納米陶瓷160納米陶瓷納米陶瓷(Nanoceramics)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的先進(jìn)材料。所謂納米陶瓷是指陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處于納米尺寸水平,包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都是納米級(jí)。由于納米陶瓷中晶粒的細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度增加，可使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性(SuperPlastic)大幅度提高，并對(duì)材料諸多性能產(chǎn)生重要影響，從而使納米陶瓷比傳統(tǒng)陶瓷具有更優(yōu)異的性能，拓寬了陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域161納米陶瓷的特性高強(qiáng)度：陶瓷強(qiáng)度隨氣孔率的增加呈指數(shù)級(jí)下降，同時(shí)，強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，納米陶瓷中晶粒尺寸與氣孔尺寸都是納米級(jí)，因而具有較高的強(qiáng)度和韌性，一般比普通陶瓷高出3~5倍。增韌性：納米陶瓷由于晶粒小、晶面大，晶面的原子排列混亂，納米晶粒易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，使納米陶瓷在受力時(shí)易于變形而不呈現(xiàn)脆性超塑性：相較于普通陶瓷，納米陶瓷在較低的溫度，有較高的擴(kuò)散蠕變，因而對(duì)外界應(yīng)力作出迅速反應(yīng)，造成晶界方向的平移，表現(xiàn)出超塑性，韌性大為提高燒結(jié)特性：納米材料具有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑及較高的擴(kuò)散速率，使得燒結(jié)溫度大幅度降低，燒結(jié)速率大幅度提高162納米陶瓷的應(yīng)用納米陶瓷在建筑行業(yè)、電子陶瓷領(lǐng)域、抗菌（殺菌）方面、生物領(lǐng)城、軍事領(lǐng)域、精密設(shè)備領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用納米陶瓷可作為電子陶瓷應(yīng)用于基板、包裝、感測(cè)器、電容器、壓電蜂鳴器和熱敏電阻等。功能性建筑衛(wèi)生陶瓷在保持陶瓷制品原有使用功能和裝飾效果的同時(shí)能增加消毒殺菌及化學(xué)降解的功能生物功能陶瓷是具有某些特殊生理行為的陶瓷，具有生物降解性和生物相容性，如人造牙齒、人造骨等。納米功能防彈陶瓷以其優(yōu)異的防彈性能、較輕的質(zhì)量及相對(duì)便宜的價(jià)格已成為使用最為廣泛的防彈材料納米高分子164納米高分子(Nano-polymer)（全稱納米結(jié)構(gòu)的自組裝高分子)包括小分子間通過非共價(jià)鍵形成的高分子以及高分子間通過非共價(jià)鍵形成的高分子聚集體納米高分子165鏈狀聚合物(ChainPolymers)梳狀聚合物(CombPolymer)星狀聚合物(StellatePolymer)超支化聚合物(Ultra-branchPolymer)樹枝狀聚合物(DendriticPolymer)納米高分子166納米高分子材料的應(yīng)用及前景由于高分子納米復(fù)合材料既能發(fā)揮納米粒子自身的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，以及粒子的協(xié)同效應(yīng)，而且兼有高分子材料本身的優(yōu)點(diǎn)，使得它們?cè)诖呋?、力學(xué)、物理功能（光、電、磁、敏感）等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性，故而有廣闊的應(yīng)用前景。167納米高分子材料的應(yīng)用及前景性能用途催化催化劑力學(xué)性能增強(qiáng)、增韌的高分子材料磁性磁記錄、磁存儲(chǔ)、吸波材料等電學(xué)性能導(dǎo)電漿料、絕緣漿料、非線性電阻

靜電屏蔽材料、電磁屏蔽材料等光學(xué)性能光吸收材料、隱身材料、光通信材料、非線性光學(xué)材料、光記錄、光顯示、光電材料等熱學(xué)性能低溫?zé)Y(jié)材料敏感特性敏感材料（壓敏、濕敏、溫敏等）其它仿生材料、醫(yī)用材料、環(huán)保材料

耐摩擦、耐磨損材料、高介電材料等納米高分子復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域謝謝觀看！高等材料化學(xué)武漢理工大學(xué)納米材料的制備方法納米材料的制備方法氣相法:真空蒸鍍法、磁控濺射法、離子鍍…液相法：化學(xué)共沉淀法、溶膠凝膠法、溶劑熱合成法…固相法：高溫?zé)Y(jié)法、高能球磨法、鹽熱分解法…自上而下自下而上微機(jī)械剝離法機(jī)械力輔助液相剝離…化學(xué)氣相沉積（CVD）物理氣相沉積（PVD）…二維材料的制備方法納米材料的制備方法氣相法氣相法制備納米粒子氣相沉積法氣相沉積法分為物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD)，前者不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，后者發(fā)生氣相的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)氣相沉積過程中有化學(xué)反應(yīng)，多種材料彼此反應(yīng)，生成新的材料。物理氣相沉積中沒有化學(xué)反應(yīng)，材料僅僅形狀有改動(dòng)，包括氣相物質(zhì)的產(chǎn)生、輸送和沉積三個(gè)過程。a.CVD法原理圖；b.PVD法原理圖納米線材料制備優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行①

直接氣相法粉體(如Ga2O3、ZnO)直接加熱氣化生成相應(yīng)的納米線②

間接合成法在納米線的形成過程中可能涉及到中間產(chǎn)物氣相沉積制備納米線材料的主要機(jī)制：氣-固機(jī)制(Vapor-Solid），簡(jiǎn)稱VS生長(zhǎng)機(jī)制氣-液-固機(jī)制(Vapor-Liquid-Solid)簡(jiǎn)稱VLS生長(zhǎng)機(jī)制VS生長(zhǎng)機(jī)制通過熱蒸發(fā)、化學(xué)還原或氣相反應(yīng)等方法產(chǎn)生氣相氣相被傳輸?shù)降蜏貐^(qū)并沉積在基底上以界面上微觀缺陷(位錯(cuò)、孿晶等)為形核中心生長(zhǎng)出一維材料VS生長(zhǎng)機(jī)制化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)氣相的過飽和度決定著晶體生長(zhǎng)的主要形貌

低的過飽和度——晶須

中等的過飽和度——塊狀晶體

很高的過飽和度——粉末VS生長(zhǎng)機(jī)制VS生長(zhǎng)機(jī)制MgOMg蒸汽石墨舟MgO襯底MgO+C(H2,

H2O)Mg(V)+CO輸送至生長(zhǎng)區(qū)MgO(Al2O3,

ZnO,

SnO2)氧化兩步法有助于降低過飽和度MgO納米線的制備177VS生長(zhǎng)機(jī)制MgO納米線的制備中間產(chǎn)物的生成有助于降低制備納米線的溫度MgB2MgO

（vapor）900℃,氧化H2/ArMgO(vapor)1200℃直接蒸發(fā)MgO

nanowire(solid)178VS生長(zhǎng)機(jī)制Si納米線的氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)制2Si+SiO

(S)熱蒸發(fā)或激光蒸發(fā)xSi

O(V)x-1Si +SiO+SiOX>1形成液滴類型多樣：Si+SiO2發(fā)射源:Si/SiO2反應(yīng)區(qū)(TR)沉積區(qū)(TS)發(fā)射源物質(zhì)沉積納米線T

>TR S載氣1150℃~900℃VS生長(zhǎng)機(jī)制GaAs納米線的制備氧化物輔助納米線生長(zhǎng)方法優(yōu)點(diǎn)：①無需金屬催化劑，消除了金屬原子對(duì)納米線的污染②可制備直徑小于1

nm的納米線GaAs+Ga2O3GaAs納米線生長(zhǎng)機(jī)理：在[111]生長(zhǎng)方向的GaAs結(jié)晶核外面包覆了一層Ga2O3180VLS生長(zhǎng)機(jī)制納米線的直徑由Au團(tuán)簇或粒子的尺寸決定激光蒸發(fā)、熱揮發(fā)、電弧放電－物理法化學(xué)氣相沉積(CVD)－化學(xué)法Vapor來源原理優(yōu)點(diǎn)：可用于制備單晶納米線；產(chǎn)量相對(duì)較大缺點(diǎn)：不能用于制備金屬納米線；金屬催化劑的存在會(huì)污染納米線181VLS生長(zhǎng)機(jī)制必須有催化劑的存在，催化劑的尺寸決定納米線材料的最終直徑，反應(yīng)時(shí)間影響納米線的長(zhǎng)徑比在適宜的溫度下，催化劑能與生長(zhǎng)材料的組元互熔形成液態(tài)的共熔物生長(zhǎng)材料的組元不斷地從氣相中獲得當(dāng)液態(tài)中溶質(zhì)組元達(dá)到過飽和后，晶須將沿著固-液界面的擇優(yōu)方向析出Ge納米線的生長(zhǎng)過程Au

clusterGeI2700-900℃分解在固液界面生長(zhǎng)Ge-Au(L)合金(～12％Ge)過飽和Ge(V)360℃VLS生長(zhǎng)機(jī)制183液相法液相法制備納米粒子沉淀法沉淀法的工藝主要包括沉淀的生成和固液分離，其中沉淀的生成是該工藝的關(guān)鍵步驟。沉淀法又可分為直接沉淀法、共沉淀法和均相沉淀法。

（1）直接沉淀法：制備超細(xì)微粒廣泛采用的一種方法。其原理是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細(xì)產(chǎn)物。不同的沉淀劑可以得到不同的沉淀產(chǎn)物，常見的沉淀劑為：NH3H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。例：采用直接沉淀法制備了平均粒徑約為150nm的α-Al2O3納米粉體沉淀法（2）共沉淀法：向含多種陽(yáng)離子的溶液中加入沉淀劑后，所有離子完全沉淀的方法稱共沉淀法。共沉淀法是將兩個(gè)或兩個(gè)以上組分同時(shí)沉淀的一種方法。其特點(diǎn)是一次可以同時(shí)獲得幾個(gè)組分，而且各個(gè)組分之間的比例較為恒定，分布也比較均勻。它又可分成單相共沉淀和混合物共沉淀。

（i）單相共沉淀：沉淀物為單一化合物或單相固溶體時(shí)，稱為單相共沉淀，亦稱化合物沉淀法。

(ii)混合物共沉淀（多相共沉淀）：沉淀產(chǎn)物為混合物時(shí)，稱為混合物共沉淀。通常是將含多種陽(yáng)離子的鹽溶液慢慢加到過量的沉淀劑中并進(jìn)行攪拌，使所有沉淀離子的濃度大大超過沉淀的平衡濃度。此法的關(guān)鍵在于如何使組成材料的多種離子同時(shí)沉淀。一般通過高速攪拌、加入過量沉淀劑以及調(diào)節(jié)pH值來得到較均勻的沉淀物。沉淀法（3）均相沉淀法：均相沉淀是在均相溶液中，借助于適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，有控制地產(chǎn)生沉淀作用所需的例子，在整個(gè)溶液中緩慢地析出密實(shí)而較重的無定形沉淀或大顆粒晶態(tài)沉淀的過程。a.控制溶液pH的均相沉淀——如尿素水解法b.酯類或其他化合物水解產(chǎn)生所需的沉淀離子c.絡(luò)合物分解以釋出待沉淀離子——如利用EDTA絡(luò)合金屬離子d.氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生所需的沉淀離子——如利用ClO-氧化I-成IO3-e.合成螯合沉淀劑法——合成螯合沉淀劑，以進(jìn)行均相沉淀f.酶化學(xué)反應(yīng)——如加入少量脲酶，對(duì)尿素水解產(chǎn)生催化作用均相沉淀根據(jù)遵循化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的不同，可以將均相沉淀法分為六類水熱法在高溫高壓水中的化學(xué)反應(yīng)形成超細(xì)粉沉淀的方法。該方法可以大量獲得在通常得不到或難以得到的、粒徑從幾納米到幾百個(gè)納米的金屬氧化物、金屬?gòu)?fù)合氧化物陶瓷粉末。水熱法通常使用的溫度在130～250℃之間，相應(yīng)的水的蒸汽壓是0.3～4MPa。其最大優(yōu)點(diǎn)是一般不需高溫?zé)Y(jié)即可直接得到結(jié)晶粉末，避免了可能形成微粒硬團(tuán)聚。固相法固相法是一種傳統(tǒng)的制粉工藝，該法制備的納米粉體顆粒填充性好、成本低、產(chǎn)量大、制備工藝簡(jiǎn)單，但也存在固有缺點(diǎn)，如能耗大、效率低、粉體不夠細(xì)、易混入雜質(zhì)等。固相法通常具有以下特點(diǎn)：