2012纳米材料与技术期末考试复习

12012年《纳米材料与技术》期末复习第一章：一、纳米科学技术的发展历史——1、1959年12月，美国物理学家费曼在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”，费曼的幻想点燃纳米科技之火。2、1981年比尼格与罗勒尔发明了看得见原子的扫描隧道显微镜（STM）。3、1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，实现了人类另一个幻想——直接操纵单个原子。4、1991年，日本的饭岛澄男教授在电弧法制备C60时，发现氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现了管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米碳纳米管。5、1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开第二届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术会议，该会议标志纳米科学技术的诞生。二、纳米科学技术基本概念——纳米、纳米技术及其分支、纳米科学技术及其分支第二章：1、纳米材料的分类：按功能分为半导体纳米材料、光敏型纳米材料、增强型纳米材料和磁性纳米材料；按属性分为金属纳米材料、氧化物纳米材料、硫化物纳米材料、碳（硅）化合物纳米材料、氮（磷）等化合物纳米材料、含氧酸盐纳米材料、复合纳米材料。按形态分为纳米点、纳米线、纳米纤维和纳米块状材料。22、纳米材料的四个基本效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。1）量子尺寸效应与纳米材料性质：a.导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体；绝缘体氧化物相反。b.磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。c.比热亦会发生反常变化，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。d.光谱线会产生向短波长方向的移动。e.催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。2)小尺寸效应的主要影响：a.金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量b.宽频带强吸收性质（光波波长）c.激子增强吸收现象（激子半径）d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）e.超导相向正常相的转变（超导相干长度）f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）3)表面效应及其影响：表面化学反应活性(可参与反应)、催化活性、纳米材料的（不）稳定性、铁磁质的居里温度降低、熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降3低、纳米材料的超塑性和超延展性、介电材料的高介电常数（界面极化）、吸收光谱的红移现象。3、纳米材料的特殊的光学性质及其应用：光学性质：光谱迁移性、光吸收性、发光性、光催化性和非线性光学性质。应用：红外发射材料、光吸收材料（利用纳米材料对紫外吸收特性，可提高日光灯寿命、防晒油和化妆品、聚合物的防老化；以及红外吸收材料、隐身材料等）、自清洁材料、光催化材料等。4、纳米材料的特殊的磁学性质：单磁畴结构、超顺磁性和较高的矫顽力、巨磁电阻效应。5、纳米材料的制备方法（1）液相法：种类：沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法、微乳液法沉淀法：均匀沉淀法、共沉淀法、金属醇盐水解法原理、过程及特点溶胶－凝胶法：溶胶－凝胶法的过程和原理以及溶胶－凝胶法的干燥技术。微乳液法：原理及其合成纳米材料的机理（2）气相法种类：物理气相沉淀法和化学气相沉积法物理气相沉淀法：电极溅射法、氢电弧等离子体法、流动液面上真空蒸度法、丝电爆炸技术4化学气相沉积法：等离子体加强气相化学反应法和激光诱导化学气相沉积法。（3）一维纳米材料的可控合成技术：气相－液相－固相法、层状卷曲机制备法和模板限制合成法。6、纳米粉体表面改性1）、引起纳米颗粒团聚的主要原因：纳米颗粒的表面静电荷引力、纳米颗粒的高表面能、纳米颗粒间的范德华力和纳米颗粒的表面的氢键及其化学键作用。2）、表面改性的方法：物理改性法、机械化学改性法、高能改性法3）、纳米颗粒的表面改性物：无机氧化物、有机化合物、纳米材料和聚合物7、纳米分散体系：纳米分散体系的种类及制备方法：超声分散法和机械分散法8、碳纳米管1）碳纳米管的制备方法：电弧法、激光蒸发法、CVD法（基种法、喷淋法、浮动催化法）2）碳纳米管的结构与形态：结构：单壁、多壁；根据碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将单壁碳纳米管分为：扶手椅型、锯齿型和螺旋型。形态：开口型、封口型、竹节型、变径型、螺旋型、海胆型、洋葱型3）碳纳米管的性能力学性能：碳纳米管是人类发现的强度最高的纤维5电学性能：随螺旋矢量（n，m）不同单壁碳纳米管的能隙宽度可以从零（金属）连续变化至1eV（半导体）。第三章：1、纳米复合材料的分类：按用途可分为:结构纳米复合材料、功能纳米复合材料、智能纳米复合材料；按基体可分为聚合物基纳米复合材料和非聚合物基纳米复合材料。2、纳米复合材料的稳定化设计：纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。3、纳米复合材料的制备纳米微粒原位合成法、溶液共混法、聚合物基体原位聚合法、两相同步原位合成法相应例子。4、蒙脱土/聚合物的制备、性能特性及应用第四章：1、纳米陶瓷分类：1）根据复合材料中纳米相分为单相纳米陶瓷、复相纳米陶瓷；62）根据复合材料中纳米相分为晶内型纳米陶瓷、晶界型纳米陶瓷晶内－晶界混杂型纳米陶瓷、纳米－纳米弥散型；3）依据复合陶瓷的性能分类纳米结构陶瓷、纳米功能陶瓷。2、提高陶瓷粉体分散度的干燥方法：共沸蒸馏法、超临界流体干燥法、真空干燥法和冷冻干燥法3、纳米陶瓷粉体的分散方法：(1)机械混合分散法(2)复合粉体法(3)液相分散包裹法（4）形成最佳分散的条件4、纳米陶瓷的设计原则化学相容性原则、物理性质匹配原则、晶粒生长速率差异最大原则、原料粉体最细原则、烧结温度控制原则、组成控制原则5、纳米陶瓷的素坯成形技术干法成形：等静压成形、超高压成形、橡胶等静压成形、原位成形湿法成形：离心注浆成形、凝胶直接成形、凝胶浇注成形、渗透固化法6、纳米陶瓷的烧结技术7、介孔材料分类：（1）硅基和非硅基(2)无定形(无序)介孔材料和有序介孔材料合成机理：（1）液晶模板机理（2）电荷密度匹配机理（3）协同组装机理应用7第五章：1、纳米器件/结构制备和加工技术外延技术——原子束外延(AEE)、分子束外延(MBE)、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、化学束外延(CBE)。光刻技术——光学光刻、电子束光刻、离子束光刻微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细加工技术2、固体纳米电子器件的分类谐振遂穿二极管/纳米线、单电子晶体管、量子点器件根据纳米功能器件的物理长度可将纳米电子器件分为：(1)亚纳米电子器件(0.1～1.0nm)：分子电子器件(2)纳米电子器件(1.0～10nm)：量子点、量子线(3)准纳米电子器件(10～100nm)：纳米CMOS器件3、纳米电子器件的四个基本现象：电导量子化、库仑阻塞效应、普适电导涨落、量子相干效应4、分子组装技术制备超晶格层－层自组装技术制备无机超薄膜、以嵌段共聚物为模板构建无机超薄膜、SILAR法、DNA模板自组装、有机分子模板自组装。5、LB技术1）基本原理2）工艺流程:铺展、压缩、膜转移。83）LB技术组装纳米粒子的方法：间接合成法、静电吸附法、液面排布法。6、一维纳米管、线、棒的组装电场驱动组装、磁场驱动组装、微流辅助模板法组装7、分子导线：1）分子导线必须满足下列条件：1、导电；2、有一个确定的长度；3、含有能够连接到系统单元的连接点；4、允许在其端点进行氧化还原反应，5、与周围绝缘以阻止电子的任意传输。2）分子导线结构特点：具有共轭π键的线性大分子8、分子开关：分子开关是一种具有双稳态的量子化体系,当外界条件(光、电、热、磁等)发生变化时,分子可以在两种状态之间进行转换,这两种状态由于电阻的高低不同而对应于电路的通或断,从而构成开关。2）类型：轮烷和索烃第六章：1、纳米药物制剂的制备方法超临界技术、高压均质法、喷雾干燥法、乳化——溶剂蒸发法2、纳米药物的药代动力学纳米药物的吸收和分布特点，纳米药物的靶向性—主动靶向、被动靶向、物理化学靶向，纳米粒子的表面结构修饰的作用、纳米粒子性质对吸收和分布的影响。93、纳米高分子药物载体：分类：用于药物载体的聚合物可分为以下几类:天然高分子材料、合成可生物溶释高分子材料、合成可生物降解高分子材料、合成非生物降解高分子材料。制备：微乳液聚合、相反转乳化技术、界面聚合法、复合凝聚法4、纳米智能凝胶给药系统的类型pH敏感凝胶给药系统、温度响应性凝胶给药系统、生化响应性凝胶给药系统。5、树枝状大分子载药体体系：1）、将药物作为客体分子，包封在树状聚合物分子的空穴内；2）、药物和树状聚合物分子共同构成一个三维网络；3）、将药物以共价键或非共价键的形式结合在树状聚合物分子表面，形成前药。6、脂质体特点：既可以在其内水相包封亲水性药物，也可以在外层双层膜包封脂溶性药物。种类：温度敏感脂质体、pH敏感脂质体、免疫脂质体、聚合脂质体、磁性脂质体、光敏脂质体7、磁性高分子纳米微球1）类型—核壳型：由磁性材料组成核，聚合物组成壳层；—壳核型：聚合物作为核,磁性材料作为壳；10—多层微球：内外层是聚合物，中间是磁性材料的。2）应用：磁导向给药、磁分离、磁热疗8、纳米生物材料种类：纳米生物材料主要包括纳米无机生物材料、纳米高分子生物材料、纳米金属生物材料、纳米复合生物材料。9、分子马达线性分子马达：肌肉肌球蛋白、驱动蛋白、DNA解旋酶、RNA聚合酶。旋转式分子马达：F-ATP酶分子马达、鞭毛分子马达生物芯片主要类型：蛋白质芯片、基因芯片、细胞芯片定义、原理、制备以及应用一、填空题（每空格0.5分，共15分）二、选择题（单项，每题1分，共15分）三、名词解释（每题3分，共12分）1、人工纳米结构组装体系—按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。2、纳米结构的自组装体系—指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。3、表面效应－是指纳米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，从而引起纳米微粒的性质变化的现象。4、小尺寸效应—是指当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的11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；如果是非晶态纳米微粒，其颗粒面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象。5、库仑阻塞效应—导体中纳米隙小于电子的自由程时，电子会发生隧穿，一旦有一个电子隧穿进入量子点，它所引起的静电能足以阻止随后第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做库仑阻塞效应。6、纳米电子学—是在纳米尺度范围内研究物质的电子学现象及其运动规律，并以纳米结构物质为基础，构筑量子器件，实现纳米集成电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的建立和信息计算、传输、处理的功能。7、纳米表面工程－是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化，从而使材料的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。8、纳米陶瓷—指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。四、简答题（每题6分，共42分）1、简述晶粒尺寸对TiO2光催化性能的影响。粒径对TiO2光催化活性的影响主要表现在：1）对能带结构的影响：随着粒径的减小，由于量子效应TiO2的导带和价带变为分立的能级，能隙变宽，价带的电位更正，导带的电位更负，光生电子和空穴的能量更高，因而具有更强的氧化－还原能力；2）对光生载流子的输送和量子产率的影响：随着粒径的减小，光生电子从粒子内部扩散到表面的时间减少，从而光生电子和空穴复合几率越小，这意味光生量子产率增高；3）对光吸收及TiO2吸附能力的影响：随着粒径的减小，光吸收边界蓝移；另一方面随着粒径的减小，TiO2的比表面积迅速增大，使TiO2具有很强的吸附能力，提高了光催化性能。2、为什么纳米TiO2会具有较高的光催化活性？纳米