【文章內(nèi)容簡介】 nce on Nanoscienceamp。Technology)，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。第三章 納米材料的結(jié)構(gòu)特性與表征 一般在宏觀領(lǐng)域中，某種物質(zhì)固體的理化特性與該固體的尺度大小無關(guān)。當(dāng)物質(zhì)顆粒小于100 nm時，物質(zhì)本身的許多固有特性均發(fā)生質(zhì)的變化。這種現(xiàn)象稱為“納米效應(yīng)”。納米材料具有三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。 納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑變小，表面原子所占百分?jǐn)?shù)將會顯著增加。當(dāng)粒徑降到1 nm時，表面原子數(shù)比例達到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。 由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)：1)特殊的光學(xué)性質(zhì)：納米金屬的光吸收性顯著增強。粒度越小，光反射率越低。所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。金屬超微顆粒對光的反射率通?？傻陀趌％，約幾微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金屬材料在接近納米尺度時，出現(xiàn)反光現(xiàn)象。納米TiO納米SiO納米Al2O3等對大氣中紫外光很強的吸收性。2)熱學(xué)性質(zhì)的改變：固態(tài)物質(zhì)超細(xì)微化后其熔點顯著降低。當(dāng)顆粒小于10 nm量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064C℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到2 nm尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。3)特殊的磁學(xué)性質(zhì)：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80A／m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20 nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，當(dāng)顆粒尺寸約小于6 nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。4)特殊的力學(xué)性質(zhì)：納米材料的強度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強度比常態(tài)提高5倍；納米金屬比常態(tài)金屬硬3～5倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性，因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。 對超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)，確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。 掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。(1)優(yōu)越性①具有原子級高分辨率，STM ，即可以分辨出單個原子。②可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究。③可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對體相或整個表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。④可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超一身地創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。⑤ 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。⑥利用STM針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。(2)局限性盡管STM有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優(yōu)點，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個方面①STM的恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細(xì)金屬微粒擴散時，這一點顯得尤為重要。②STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖像對真實表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補STM這方面的不足[10]。此外，在目前常用的（包括商品）STM儀器中，一般都沒有配備FIM，因而針尖形狀的不確定性往往會對儀器的分辨率和圖像的認(rèn)證與解釋帶來許多不確定因素。第四章 納米材料的制備技術(shù) 1)噴霧法 噴霧法是將溶液通過各種物理手段霧化,再經(jīng)物理、化學(xué)途徑而轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)微粒子。2)噴霧干燥法 將金屬鹽溶液送入霧化器,由噴嘴高速噴入干燥室獲得金屬鹽的微粒,收集后焙燒成超微粒子,如鐵氧體的超微粒子可采用此種方法制備。3)噴霧熱解法 金屬鹽溶液經(jīng)壓縮空氣由賁嘴噴出而霧化,噴霧后生成的液滴大小隨著噴嘴而改變,液滴受熱分解生成超微粒子。例如,將Mg(NO3)2Al(NO3)3的水溶液與甲醇混合噴霧熱解(T=800176。C)合成鎂鋁尖晶石,產(chǎn)物粒徑為幾十納米。等離子噴霧熱解工藝是將相應(yīng)溶液噴成霧狀送入等離子體尾焰中,熱解生成超細(xì)粉末。等離子體噴霧熱解法制得的二氧化鋯超細(xì)粉末分為兩級:平均尺寸為20~50 nm的顆粒及平均尺寸為1 mm的球狀顆粒。1)等離子體制備納米粉末技術(shù) 等離子體作為物質(zhì)存在的一種基本形態(tài),由于在地球上很難自然存在,通常條件下,人們使電流通過氣體,這樣就可以使氣體這個良好的絕緣體攜帶充分的電荷,從而形成“電擊穿”,產(chǎn)生等離子體。帶電的氣體可以是氧化性氣體、還原性氣體和中性氣體等。熱等離子體作為高溫氣體具有高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率,高粘度和高溫度梯度,材料處于等離子體中,將迅速分解成自由原子、離子和電子,這種處于高激發(fā)態(tài)的物質(zhì)通過“淬冷”導(dǎo)致具有獨特性質(zhì)的超細(xì)粉體和晶體的核化與生長。天然氣加空氣的燃燒產(chǎn)物與空氣電弧加熱器在不同的工作溫度條件下加熱效率的比較,電弧加熱器的加熱效率可幾倍于用天然氣的加熱效率,這樣就可以彌補電能與一次能源的差價。2)化學(xué)氣相沉淀法 一種或數(shù)種反應(yīng)氣體通過熱、激光、等離子體等而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)析出超微粉的方法,叫做化學(xué)氣相沉積法。由于氣相中的粒子成核及生長的空間增大,制得的產(chǎn)物粒子細(xì),形貌均一,交具有良好的單分散度,而制備常常在封閉容器中進行,保證了粒子具有更高的純度。CVD技術(shù)更多的應(yīng)用于陶瓷超微粉的制備,如AlN,SiN,SiC,其中源材料為氣體或易于氣化,沸點低的金屬化合物。3)共沉淀法 在含有多種陽離子的溶液中加入沉淀劑,使金屬離子完全沉淀的方法稱為共沉淀法。共沉淀法可制備BaTiOPbTiO3等PZT系電子陶瓷及ZrO2等粉體。以CrO2為晶種的草酸沉淀法,制備了La、Ca、Co、Cr摻雜氧化物及摻雜BaTiO3等。以Ni(NO3)26H2O溶液為原料、乙二胺為絡(luò)合劑,NaOH為沉淀劑,制得Ni(OH)2超微粉,經(jīng)熱處理后得到NiO超微粉。4)均勻沉淀法 在溶液中加入某種能緩慢生成沉淀劑的物質(zhì),使溶液中的沉淀均勻出現(xiàn),稱為均勻沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性。5)溶劑熱合成法 用有機溶劑代替水作介質(zhì),采用類似水熱合成的原理制備納米微粉。非水溶劑代替水,不僅擴大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍,而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無法實現(xiàn)的反應(yīng),包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。6)溶膠凝膠法 溶膠凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠,再制成凝膠,經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子。第五章 納米固體材料的結(jié)構(gòu)和性能（略）結(jié)構(gòu)特點：小晶粒＋大界面 界面特點：（1）量大（對于5—10nm的固體結(jié)構(gòu)，組成晶界的原子高達15—50％）；（2）原子排列具有變化性、多樣性；（3）低能組態(tài)：晶界原子在壓制時具有足夠的移動性調(diào)整自己處于低能狀態(tài)。（1）力學(xué)性能與應(yīng)用：強度和硬度（HallPetch公式）；超塑性；（2）光學(xué)性能與應(yīng)用：紅外吸收；第六章 納米材料的應(yīng)用及前景 ：納米衛(wèi)星以及相關(guān)的納米傳感器可以靈敏地“感覺”水流、水溫、水壓等極細(xì)微的環(huán)境變化, 并及時反饋給中央控制系統(tǒng), 最低限度地降低噪聲、節(jié)約能源，其高科技成分的體現(xiàn)還在于它能根據(jù)水波的變化提前“察覺”來襲的敵方魚雷, 使?jié)撏Ъ皶r做規(guī)避機動。能用較低的輻射功率完成“智能武器”的敵我識別, 以免誤傷自己。這其中有些優(yōu)勢恐怕是當(dāng)今世界其他的偵查設(shè)備所望塵莫及的。：在燃煤中加入納米級助燃催化劑, 可幫助煤充分燃燒, 提高能源利用率, 防止有害氣體產(chǎn)生。研究表明, 納米鈦酸鈷還可在發(fā)動機汽缸內(nèi)發(fā)揮催化作用, 使汽油燃燒時不再產(chǎn)生及排放一氧化硫和氮氧化物, 使汽車尾氣無需處理。此技術(shù)對我國船舶發(fā)動機有很好的應(yīng)用前景。同時，納米的凈水裝置也將為我們的生活提供非常大的便利，新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力, 是普通凈水劑的10～ 20 倍。通過納米孔徑的過濾裝置, 還能除去水中的細(xì)菌,使水分子、礦物質(zhì)以及微量元素被保留下來, 處理后即可以飲用。：遺傳學(xué)領(lǐng)域中，通過納米技術(shù)先將DNA 染色體全部分解為單個基因,然后根據(jù)需要進行組裝, 轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達100%。而在醫(yī)療過程中，納米級別的診斷和治療器件能夠最大程度減少醫(yī)療器械堆對人體組織的損害，再比如納米傳感器能夠哦探測早期癌細(xì)胞并傳遞藥物，種種事實表明，納米技術(shù)運用于醫(yī)學(xué)遺傳領(lǐng)域?qū)⒂兄诨庠S多目前的問題，從而為人類做出巨大的貢獻。——納米材料。不僅是納米技術(shù)有用處，更重要的是納米技術(shù)能夠被轉(zhuǎn)化成實實在在的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們每個人的身邊，納米材料就是很好的例子。許多科技新領(lǐng)域的突破迫切需要納米材料和納米科技支撐，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)提升也急需納米材料和技術(shù)的支持，可以肯定納米材料和技術(shù)對許多領(lǐng)域都將產(chǎn)生極大的沖擊和影響。如納米粒子可以被用于創(chuàng)造新的光學(xué)薄膜和創(chuàng)造具有光、磁特性的新功能材料。磁性納米粒子和量子點將可用于生產(chǎn)10倍于目前芯片存儲容量、數(shù)百千兆赫速度的超小光盤驅(qū)動器。在納米材料與加工方面，科學(xué)家將通過控制納米晶體、納米薄膜、納米粒子和碳納米管等創(chuàng)造新的功能結(jié)構(gòu)材料，開發(fā)超輕、超強結(jié)構(gòu)材料，開發(fā)長壽命材料、支撐能量轉(zhuǎn)換的材料和具有新功能的電子材料。另外一個納米材料的發(fā)展方向便是成為化學(xué)和能源轉(zhuǎn)化工藝方面具有高度選擇性和有效性的催化劑。這不僅對能源和化學(xué)生產(chǎn)非常重要，而且從能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護角度上看極具經(jīng)濟價值。：包括納米電子學(xué)、納米光電子學(xué)、納米磁學(xué)，納米科技都具有很大的應(yīng)用價值。納米微粒防菌保潔涂層材料、納米微粒陶瓷、納米磁性材料、納米光學(xué)材料、納米電子材料、納米敏感材料、納米生物醫(yī)學(xué)材料、納米儲能材料、納米隱身材料等等。近年來具有奇異優(yōu)越性能的納米材料紛紛出現(xiàn)，為納米技術(shù)進入各行各業(yè)、千家萬戶開辟了廣闊前景。目前，全世界以納米材料為主體的納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)正方興未艾，蓬勃興起。歐盟委員會在1995年進行的一項研究中，預(yù)計l0年內(nèi)納米技術(shù)的開發(fā)將成為僅次于芯片制造的世界第二大制造業(yè)。人們普遍認(rèn)為，納米技術(shù)將是21世紀(jì)新產(chǎn)品誕生的源泉，納米技術(shù)會引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，必將推動生產(chǎn)力的發(fā)展。人類的勞動力方式將徹底發(fā)生巨大變革。人類生活環(huán)境將得到空前的改善。由于作為生命基礎(chǔ)的細(xì)胞中的核酸、蛋白質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的作用基本上是發(fā)生在納米尺度上，所以納米技術(shù)實際上也正在或?qū)⒁沂旧越M織過程的秘密，從而開辟了人工干預(yù)控制生命自組織過程和使人工自然物質(zhì)結(jié)構(gòu)具備生命自組織的道路。美國國家癌癥研究所的負(fù)責(zé)人理查德克勞斯內(nèi)指出，納米科學(xué)的發(fā)展使未來醫(yī)療技術(shù)取得革命性的突破，例如可以通過移植微型的傳感器來監(jiān)控發(fā)出癌變信號的分子，醫(yī)生可以應(yīng)用尺寸比人體紅細(xì)胞還小的納米機器人直接打通腦血栓，清潔心臟動脈脂肪沉積物，也可以通過把多種功能的納米微型機器人注入血管內(nèi)，許多疑難病癥將得到解決。例如還可以制造“生物導(dǎo)彈”在包敷蛋白的磁性三氧化二鐵納米微粒表面攜帶藥物注射進入人體血管，通過磁場導(dǎo)航輸運到病變部位釋放藥物，可減少肝、脾、腎等由于藥物產(chǎn)生的副作用。由于納米技術(shù)能使常規(guī)材料呈現(xiàn)出非常規(guī)物理特性，顯示出巨大的市場應(yīng)用和開發(fā)價值，一些發(fā)達國家都投人大量的資金進行研究工作。通過納米技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能并不見得非常昂貴，往往價格略有上升，但性能卻要好得多，這意味著這樣的產(chǎn)品更具有市場競爭力。錢學(xué)森曾預(yù)言“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下階段科技發(fā)展的重點，會是一次技術(shù)革命。從而將引起2l世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！钡诙糠?總結(jié)與學(xué)習(xí)心得通過對該課程的學(xué)習(xí)，我獲得了很多，不僅是在學(xué)識方面，而且在學(xué)習(xí)方法及人際交流方面也有感觸。首先，通過老師系統(tǒng)地詳細(xì)地介紹，我們學(xué)習(xí)了有關(guān)納米材料的相關(guān)知識。了解了納米、納米材料以及納米科技的定義和分類；學(xué)習(xí)了納米材料的結(jié)構(gòu)特征和其表征方法，尤其詳細(xì)介紹