纳米材料复习

1.纳米材料的表面效应：纳米材料微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。2.纳米材料的光致发光：指在一定波长光照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘获而发射出光子的现象。3.纳米产品的制造方式：（1）“自上而下”(topdown)：是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。(2)“自下而上”(bottomup)：是指以原子分子为基本单元,根据人们的意愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染。如化学合成、自组装、定位组装等。4.纳米材料的光催化性质：就是光触媒在外界可见光的作用下发生催化作用。光催化一般是多种相态之间的催化反应。光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。5.(1)物理气相沉积:在低压的惰性气体中加热可蒸发的物质，使之气化，再在惰性气氛中冷凝成纳米粒子。（2）化学气相沉积:是指在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。1纳米微粒的蓝移和红移现象：A蓝移（1）由于纳米粒子的量子尺寸效应导致纳米微粒的光谱峰值向短波方向移动的现象例如：纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-1。蓝移了20cm-1。纳米Si3N4颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是949cm-1和935cm-1，蓝移了14cm-1。（2）纳米微粒吸收带“蓝移”的解释：量子尺寸效应由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种解释对半导体和绝缘体都适用。B红移（1）由于纳米粒子的表面或界面效应引起的光谱峰值向长波方向移动的现象例如，在200~1400nm波长范围，单晶NiO呈现八个光吸收带。蜂位分别为3.52，3.25．2.95，2.75，2.15，1.95，1.75和1.13eV，纳米NiO(粒径在54~84nm范围)不出现3.52eV的吸收带，其他7个带的蜂位分别为3.30，2.99，2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV，很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发生蓝移，后3个光吸收带发生红移（2）吸收光谱的红移现象的原因：由于表面或界面效应，引起纳米微粒的表面张力增大，使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起的。2.纳米材料的宽频带强吸收与实际用途（1）宽频带强吸收：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。纳米材料对红外光的吸收谱随着纳米晶粒尺寸减小，红外吸收峰趋于宽化。原因：随着粒径的减小，纳米晶粒的比表面积增大，表面原子所占比例增大，界面原子与内层原子的差异导致了红外吸收峰的宽化（2）实际应用：红外隐身技术：在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。高效率地将太阳能转变为热能、电能，还可能应用于红外敏感元件3.溶胶—凝胶法的工艺过程：（1）基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。（2）过程：溶胶的制备；溶胶—凝胶转化；凝胶干燥。（溶胶—凝胶过程根据原料的种类可分为有机途径和无机途径两类。）（3）溶胶—凝胶法的优缺点如下：(i)化学均匀性好：由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。(ii)高纯度：粉料(特别是多组份粉料)制备过程中无需机械混合。(iii)颗粒细：胶粒尺寸小于0.1um。(iv)该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化。不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。(v)烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结性不好。(vi)凝胶干燥时收缩大。4、自然界的纳米现象：（1）“蜜蜂、鸽子、蝴蝶”的罗盘—腹部的磁性纳米粒子；（蜜蜂外出时，将花草、树木等图像储存进纳米粒子；归来时，把所储存的图像与自己看到的图像进行比较和移动，直到这两个图像完全一致，它们就可以找回家了）（2）螃蟹的横行—磁性粒子指南针定位作用的紊乱；（亿万年前，螃蟹并非横行，其第一对触角里有几颗磁性纳米粒子，可以定向；后来由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角里的那几颗磁性纳米粒子发生错乱，失去了正确指示方向的功能。）（3）海龟在大海中的巡航—头部磁性粒子的导航；（磁性纳米粒子导航的功能，被大海龟发挥得淋漓尽致。美国东海岸佛罗里达有一种海龟，在海边产卵，当小海龟孵化出来后，就不远万里长途跋涉到大西洋的另一侧—靠近英国附近的岛屿生活。成年的海龟还要回到佛罗里达产卵。历时5-6年，悠哉游哉，环大西洋巡航几万公里。）（4）鹅—“白毛浮绿水”（骆宾王七岁）；（鹅在在水中戏耍而毛不会湿，是由于鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。)（5）美丽的蓝天上飘着朵朵白云，白云就是纳米尺度的小水滴形成的；秋雨刚过，大雾弥漫，雾也是由于空气中分散了纳米尺度的水滴而形成的；烟、尘也是如此。（6）荷花出污泥而不染：荷叶面具有超疏水及自洁的特性，在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛在“山包”頂則又長出一個個饅頭狀的“碉堡”凸頂。因此，在“乳突”间的凹陷部份充滿著空氣，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突”的凸頂形成几个点接触。雨点在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滚动中吸附灰尘，並滾出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奧妙所在。（7）壁虎飞檐走壁的奥秘：壁虎脚部刚毛组织及单根刚毛与物体表面的黏附5.碳纳米管的结构和分类（1）结构：纳米碳管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管，管端的碳帽由五边形或七边形网格参与封闭。纳米碳管的管壁是由碳原子六边形组成的，它可能存在三种类型的结构,即所谓的扶手椅纳米管、锯齿型纳米管和手性纳米管。不同类型的纳米碳管型的纳米碳管的形成取决于碳原子的六角点阵二维石墨片是如何“卷起来”形成圆筒形的（2）按石墨片层数分类:多壁纳米管和单壁纳米管6.纳米技术与微电子技术的主要区别：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。7、纳米材料的分析测试技术：透射电子显微镜（TEM）构造：照明系统、样品台、物镜系统、放大系统、数据记录系统以电子束为照明束、磁透镜聚焦成像（区别光学显微镜：可见光为照明束、玻璃透镜聚焦成像）成像过程：从加热到高温的钨丝发射电子，在高电压作用下以极快的速度射出，聚光镜将电子聚成很细的电子束，射在试样上；电子束透过试样后进入物镜，由物镜、中间镜成像在投影镜的物平面上，这是中间像；然后再由投影镜将中间像放大，投影到荧光屏上，形成最终像。原子力显微镜（AFM）工作原理：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10-8--10-6N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变。利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来扫描方式：恒力扫描：在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，得到表面形貌的信息。工作过程中，使AFM的针尖处在排斥力状态，此时作用力不变，移动样品，如表面凹下，作用力减小，控制系统立即使AFM推动样品上移。相反--------，纪录控制电压的起伏大小变化，可知道表面原子的起伏状态；恒高扫描：在扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂Z方向的形变量来成像，对于表面起伏较大的样品不适用。应用：（1）纳米材料的形貌测定；（2）生物材料研究；（3）粘弹性材料的表面加工8、纳米技术的应用:化工催化领域：聚合氢化反应催化剂、炸药助燃剂、火箭助推剂、食品保鲜剂、润滑剂、防紫外线化妆品、静电屏蔽材料、工业废水处理光催化剂；能源领域：太阳能电池、碳纳米管储氢；环保领域：空气净化、汽车尾气处理；功能涂层：紫外线吸收涂层、防静电涂层、纳米塑料和橡胶；生物中应用：纳米机器人、微小探针技术、纳米人造细胞、治疗糖尿病药、纳米止血绷带、纳米载药微粒、DNA镊子、分子马达、机械牙齿、病毒杀手；纳米陶瓷：保洁抗菌陶瓷、医用纳米陶瓷、纳米电子陶瓷、陶瓷增韧、生物陶瓷（生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、生物吸收陶瓷）；微电子领域：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器；机械领域：（纳米制造技术）纳米齿轮、纳米轴承、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关、分子剪刀和分子马达等；纺织中应用：反射红外线型化纤、抗菌防臭除臭纤维、防水布料；军事上应用：纳米探测系统、纳米材料提高武器打击、纳米材料提高防护能力、纳米机械系统制造的小型机器人、雷达隐身技术、微飞行器与传感器。