湘潭大学低维习题解答答案

表面效应:是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活性。小尺寸效应:当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现新的尺度效应。量子尺寸效应:当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽。宏观量子隧道效应:隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。量子限域效应：激子的振子强度、激子带的吸收系数随粒径下降而增加，即激子出现增强吸收并蓝移纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。气相法合成纳米颗粒的思路：直接利用气体，或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却中凝聚、长大，形成纳米颗粒液相法：均以溶液为出发点，通过各种途径使溶质和溶剂分离，形成一定形状和大小的颗粒的前躯体，再经热解得到纳米微粒沉淀法原理：包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH-、C2O42-、CO32-等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉料。水热法是在特制的密闭反应容器（高压釜）内，采用水作为反应介质，通过对反应器进行加热，创造一个高温（100-1000℃）、高压（1-100MPa）反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶。溶胶-凝胶法基本原理：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。1、低维材料包括哪些?分别描述其定义，并举例说明。零维材料：指空间三维尺度均在纳米尺度的材料ex:：纳米粒子一维材料：指空间有两维处于纳米尺度的材料ex：纳米线、纳米管、纳米棒二维材料：指三维空间有一维在纳米尺度的材料ex：超薄膜、多层膜、纳米带2、离子束溅射法相对于真空溅射法原理上有什么不同?离子束溅射法的优缺点是什么?真空溅射:在真空室中，利用低压气体放电、利用处于等离子状态下的离子轰击靶表面，溅射出粒子并堆积在基片上离子束溅射:也是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，溅射出的离子在基片表面成膜离子束要由特制得离子源产生，其结构复杂，价格昂贵，较少采用.离子束溅射的优点是能够独立控制轰击离子的能量和束流密度，并且基片不接触等离子体，这些都有利于控制膜层质量。此外，离子束溅射是在真空度比磁控溅射更高的条件下进行的，这有利于降低膜层中的杂质气体的含量.离子束镀膜的缺点是镀膜速率太低，只能达到10nm/min左右。这比磁控溅射低一个数量级，所以离子束镀膜不适于镀制大面积工件。这些缺点限制了离子束溅射在工业生产中的应用.3、请描述溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本原理和过程。基本原理：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。1）溶胶的制备：先沉淀后解凝，控制盐溶液的沉淀过程，直接获得溶胶2）溶胶-凝胶转化：化学法：控制电解质浓度（如加电解质）物理法：迫使胶粒间相互靠近（压缩作用，如离心、溶剂挥发）3）凝胶干燥：加热蒸发（焙烧等干燥过程中的非均匀性收缩，易使凝胶发生破裂。）4、纳米颗粒的超顺磁性是什么？矫顽力随粒径下降有什么规律？为什么？超顺磁性是指铁磁物质的颗粒小于临界尺寸时，每个颗粒具有单畴结构，磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向，在较高温度下表现为顺磁性特点，但在外磁场作用下其顺磁性磁化率比一般顺磁材料的大好几十倍，称为超顺磁性。纳米微粒的居里温度随其粒度的下降而有所下降，矫顽场先增大后减小；小单畴各向异性能，纳米颗粒无固定易磁方向。原因：小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向,易磁化方向作无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。5、纳米颗粒宽频带吸收和蓝移现象是分别什么意思？机理是什么？宽频带：纳米颗粒对红外线的吸收谱宽化的现象强吸收：与块体材料（常规材料）相比对光吸收能力增强的现象蓝移：与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。宽频带机理：颗粒尺寸、表面张力、晶格畸变有分布；界面、缺陷及分布位置不同导致键长有分布。蓝移机理：量子尺寸效应导致带隙变宽；表面张力，键长缩短、键能增大。6、纳米颗粒的光催化机理是什么？并举例说明。光催化定义：在光的照射下通过把光能转变成化学能，促进有机物的合成或降解的过程称为光催化。原理：半导体氧化物纳米粒子吸收光子，电子e从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对，此时电子具有还原性，空穴具有氧化性。Ex：二氧化钛的光催化7、纳米颗粒在液体中的团聚机理是什么?试分别简述其成因。纳米材料的团聚是指纳米颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较大颗粒的现象。软团聚主要是由颗粒间的静电力和范德华力所致，由于作用力较弱，可以通过一些化学作用或施加机械能的方式来消除；硬团聚形成的主要原因是化学键的作用，因此硬团聚一旦形成，便很难分散开来。依据作用力的不同，可分为物理吸附和化学吸附物理吸附：依靠吸附剂和吸附相之间的分子间作用力等较弱物理作用而结合，容易脱附化学吸附：依靠化学键产生较强的吸附，难脱附纳米颗粒在液体介质中的团聚是吸附和排斥共同作用的结果。8、请总结液体中纳米颗粒的分散方法。a超声波分散：超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间的库仑力或范德瓦尔力。b加入反絮凝剂形成双电层：选择适当的电解质作分散剂，使纳米粒于表面吸引异电离子形成双电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。c加表(界)面活性剂包裹微粒：为了防止分散的纳米粒子团聚也可加入表面活性剂，使其吸附在粒子表面，形成微胞状态。由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，使得粒子间不能接触、从而防止团聚体的产生。9、请分别从物理改性和化学改性的角度总结纳米颗粒表面修饰方法。表面物理改性就是改性物质与纳米颗粒表面不发生化学反应，而是通过物理的相互作用(如范德华力、沉积包覆等)达到改变或改善纳米颗粒表面特性的目的。表面活性剂法：在范德华力作用下，将改性剂吸附在纳米颗粒表面，达到纳米颗粒分散和稳定悬浮等目的。表面沉积包覆法：将一种物质(改性剂)沉积在纳米颗粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的一个异质包覆层来实现纳米颗粒表面改性的目的。纳米颗粒表面化学改性是通过改性剂与纳米颗粒表面之间发生化学反应而改变纳米颗粒表面的结构、化学成分及电化学特性等，达到表面改性的目的。表面化学修饰方法：酯化反应表面修饰偶联剂表面覆盖修饰表面接枝聚合物修饰10、简述一维纳米材料的制备策略。基本思想：先通过物理、化学的方法获得原子（离子）或分子态，在一定的约束、控制条件下，促进固态结构沿着一维方向的结晶凝固(a)固体各向异性的晶体学结构所决定的定向生长(b)引入一个液-固界面来减少籽晶的对称性(c)应用各种具有一维形貌的模板来引导一维纳米结构的形成;(d)应用合适的包敷剂来动力学地控制籽晶的不同晶面的生长速率;(e)零维纳米结构的自组装;(f)减小一维微结构的尺寸。11、请分别阐述硬模板法和软模板法制备纳米线的过程。硬模板多是利用材料的内表面或外表面为模板，填充到模板的单体进行化学或电化学反应，通过控制反应时间，除去模板后可以得到纳米材料。软模板法也叫微乳液法，胶体溶液中表面活性剂可以自组装形成各种各样的空腔结构。表面活性剂模板法主要利用微乳液法中的胶束(b)和反胶束(d)。亲油端在内、亲水端在外的水包油型胶束叫正相胶束，它可以将有机溶剂分化成液滴悬浮在水中。亲水端在内、亲油端在外的油包水型胶束叫反相胶束，它可以将水溶液分化成小液滴分散在有机溶剂里。12、请解释纳米线的气－液－固（VLS)生长机理。13、简述碳纳米管的手性特征。当n=m即手性角θ=30°时称为扶手椅管；当m=0即手性角θ=0°时称为锯齿管。而当0°θ30°时则称为手性管。14、碳纳米管有哪些电学性质?分别有哪些应用?电学性质包括：金属性，半导体，优良的场致发射特性，导电性。它具有一定的半导体特性，可以用作纳米级热敏电阻和光激发或电压激发的电子开关，可能用于微电子器件量子导线和构成晶体管等。碳纳米管具有优良的场致发射特性尤为适于制作新型平板显示器。由于导电性可用做添加导电剂，燃料电池电极。15、碳纳米管有哪些主要的制备方法?分别阐述其思想。1）电弧法：石墨电弧法：电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。催化电弧法：在阳极中掺杂不同的金属催化剂利用两极的弧光放电来制备纳米碳管。2）化学气相沉积法：又称为催化裂解法，这种方法在特定的温度下使含碳的有机气体发生分解而提供碳源，并在催化剂的作用下实现单壁碳纳米管的生长。根据催化剂引入方式的不同，气相沉积法又可以分为基种法和浮动法两类。基种法：把催化剂颗粒预先分散在基体上；浮动法：催化剂在反应室中的位置不固定，通常是在反应室中漂浮。3）激光蒸发法是利用高能脉冲激光束轰击石墨靶，使碳原子和金属催化剂从石墨靶上蒸发出来进行反应，从而获得单壁碳纳米管的方法。4）热解聚合物法：通过热解某种聚合物、聚乙烯或有机金属化合物，也可以得到碳纳米管。16、简述碳纳米管的点焊生长机制。所谓VLS生长，是指气相反应系统中存在纳米线产物的气相基元和含量较少的金属催化剂基元,产物气相基元和催化剂气相基元通过碰撞、集聚形成合金团簇，达到一定尺寸后形成液相生核核心(简称液滴)。合金液滴的存在使得气相基元(B)不断溶入其中从相图上看，意味着合金液滴成分[不断向右移动]，当熔体达到过饱和状态时(即成分移到超过c点时)，合金液滴中即析出晶体(B)。析出晶体后的液滴成分又回到欠饱和状态，通过继续吸收气相基元(B),可使晶体再析出生长。如此反复，在液滴的约束下,可形成一维结构的晶体(B)纳米线。必须有催化剂的存在在适宜的温度下，催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物生长材料的组元不断地从气相中获得当液态中溶质组元达到过饱和后,晶须将沿着固-液界面的择优方向析出将碳纳米管与激光或高能电子照射，碳原子会重排成同心球。但在生长时，碳浓度高，第一片石墨没来得及封闭，第二片石墨已在其上形核长大，由于其长大所需表面能小于第一片，生长的速度大于第一片直至长到一样长为止。这时内外层碳原子悬键通过之字形电焊相互键合而变稳定，从而减缓了顶端封闭，最终形成碳纳米管