第六章纳米材料概念特性与应用.ppt
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第六章第六章 纳米材料纳米材料6.1 纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料6.3 纳米材料的制备纳米材料的制备6.2 纳米材料的特性及应用纳米材料的特性及应用 6.1 纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料 纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展u1959年，年，R. P. Feynman发表有关纳米科技的著名演讲发表有关纳米科技的著名演讲u1962年，日本物理学家年，日本物理学家 Kubo, 建立建立 Kubo 理论理论u1974年年 ，， 日日 本本 物物 理理 学学 家家 Taniguchi 提提 出出 纳纳 米米 技技 术术（（Nanotechnology）的概念）的概念u1981年年 ，， 德德 国国 物物 理理 学学 家家 H. Gleiter 提提 出出 固固 体体 纳纳 米米 结结 构构（（Nanostructure of Solid）的概念）的概念u1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）u纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学u2000年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系 纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想人物：人物：人物：人物：Richard. P. Feynman (1965Richard. P. Feynman (1965年年年年NobelNobel物理奖得主物理奖得主物理奖得主物理奖得主) )时间：时间：时间：时间：19591959年年年年1212月月月月2525日日日日地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院There is a plenty of rooms at the bottom n n“ “The principles of physics, as far as I can see, do not The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.”you make the substance.” - Richard Feynman(- Richard Feynman(19591959) ) Physics Nobel LaureatePhysics Nobel Laureate人人类类能能够够用用宏宏观观的的机机器器制制造造比比其其体体积积小小的的机机器器, 而而这这较较小小的的机机器器可可以以制制作作更更小小的的机机器器, 这这样样一一步步步步达达到到分分子子线线度度, 即即逐逐级级地地缩缩小小生生产产装装置置, 以以至至最最后后直直接接按按意意愿愿排排列列原原子子, 制制造造产产品品。
那那时时, 化化学学将将变变成成根根据据人人们们的的意意愿愿逐逐个个地地准准确确放放置置原原子的问题子的问题当当2000年年人人们们回回顾顾历历史史的的时时候候, 他他们们会会为为直直到到1959年年才才有有人人想想到到直直接接用用原原子子, 分子来制造机器而感到惊讶分子来制造机器而感到惊讶 --- Richard P.Feynman,1959 TaniguchiEric Drexler1974年科学家唐尼古奇年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工一词描述精细机械加工;1977年年美美国国麻麻省省理理工工学学院院德德雷雷克克斯斯勒勒教教授授提提出出, 可可以以从从模模拟拟活活细细胞胞的的生生物物分分子子的的人人工工类类似似物物 ---分分子子装装置置开开始始研研究究, 并并称称之之为为纳纳米米科科技技他他70年代末在斯坦福大学建立年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组第一个纳米科技研究小组。
第第一一届届国国际际纳纳米米科科学学技技术术会会议议(International conference on nano science and technology) 1990年年7月，美国巴尔的摩月，美国巴尔的摩 人高20亿亿 纳纳米100万万 纳纳米 针头针头红血球红血球分子及分子及DNA1千千 纳纳米1 纳纳米0.1 纳纳米氢原子氢原子Earth 1.2 x 107 m•In Greek, “nano” means dwarf•纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1纳米纳米 = 10-9 米什么是纳米什么是纳米(nanometer)？？ Human Hair一纳米有多小？一纳米有多小？ 病毒：病毒：病毒：病毒： 30-100nm30-100nm30-100nm30-100nm纳米粒子与病毒大小相当纳米粒子与病毒大小相当红血球：红血球：红血球：红血球：200-300nm200-300nm200-300nm200-300nm细菌：细菌：细菌：细菌： 200-600nm200-600nm200-600nm200-600nm胃幽门胃幽门螺杆菌螺杆菌 目前市场上炒作的目前市场上炒作的“纳米纳米”主要指纳米材料。
主要指纳米材料如何区分纳米和伪纳米？如何区分纳米和伪纳米？衡量纳米材料的两把尺子：衡量纳米材料的两把尺子：①① 颗粒粒径是否介于颗粒粒径是否介于1个纳米到个纳米到100个纳米之间的，均匀度怎么样；个纳米之间的，均匀度怎么样；②② 是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而出现许多新奇特性例如：铜是电的良导体，而出现许多新奇特性例如：铜是电的良导体，而纳米铜纳米铜则是电的绝缘体；则是电的绝缘体；硅是半导体，而硅是半导体，而纳米硅纳米硅则是良导体；陶瓷易碎，而则是良导体；陶瓷易碎，而纳米陶瓷纳米陶瓷既刚又韧，可既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而以用来制作发动机零件；而纳米纤维纳米纤维既不沾水又不沾油既不沾水又不沾油 什么是纳米材料什么是纳米材料(nanomaterial)?纳纳米米材材料料是是指指在在三三维维空空间间中中至至少少有有一一维维处处于于纳纳米米尺尺度度范范围围(10-9～～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料或由它们作为基本单元构成的材料 。
什么是纳米结构什么是纳米结构(nanostructure)？？纳纳米米结结构构是是以以纳纳米米尺尺度度的的物物质质单单元元为为基基础础，，按按一一定定规规律律构构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系 在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学什么是纳米科学什么是纳米科学(nanoscience)？？ 纳纳米米技技术术是是一一门门高高新新技技术术，，它它对对21世世纪纪材材料料科科学学和和微微型型器器 件件技技术术的的发发展展具具有有重重要要影影响响纳纳米米技技术术，，就就是是要要做做到到，，从从小小到到大大，，从从下下到到上上要要什什么么东东西西，，将将分分子子、、原原子子搭搭起起来来，，就就是是什什么么东东西西，，原原材材料料浪浪费费为为零零，，能能耗耗降降到到极极低低，，彻彻底底从从技技术术上上解决了环保问题解决了环保问题 在在纳纳米米尺尺寸寸上上对对物物质质和和材材料料进进行行研研究究处处理理的的技技术术称称为为纳纳米米技技术术纳纳米米技技术术本本质质上上是是一一种种用用单单个个原原子子、、分分子子制制造造物物质质的技术。
的技术什么是纳米技术什么是纳米技术(nanotechnology)？？ •创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米材料探测分析纳米材料,器件的结构器件的结构,性质及其相互关系和机理性质及其相互关系和机理制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度(10(10-9-9 ～～～～1010-7-7m)m)的器件和材料的科学技术的器件和材料的科学技术的器件和材料的科学技术的器件和材料的科学技术什么是纳米科技什么是纳米科技(Nano-ST)？？ 这这7个个分分支支是是相相对对独独立立的的隧隧道道显显微微镜镜在在纳纳米米科科技技中中占占有有重重要要的的地地位位，，它它贯贯穿穿到到7个个分分支支领领域域中中，，以以扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜为为分分析析和和加加工工手手段段所所做做的的工工作作有有一一半半以以上上应应当当指指出出的的是是：：由由于于电电子子学学在在人人类类的的发发展展和和生生活活中中起起了了决决定定性性的的作作用用，，因因此此在在纳纳米米科科技技时时代代，，纳纳米米电电子子学学也也将将继继续续对对人人类类社社会会的的发发展展起起更更大大的的作作用用。
因因此此在在纳纳米米科科技技的的各各个个分分支支学学科科的的研研究究中中，，应应当当重重视视纳纳米米电电子子学学的的研研究究，，特特别别是是利利用用扫扫描描隧隧道道电电子子显显微微镜镜(STM)的的相相关关技技术术进进行行超超高密度信息存储的研究高密度信息存储的研究纳米科技主要包括纳米科技主要包括: 当当今今的的时时代代，，大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造已已经经进进入入了了微微米米和和亚亚微微米米的的量量级级, 电电子子器器件件的的集集成成度度越越来来越越高高，，已已经经接接近近了了它它的的理理论论极极限限在在纳纳米米尺尺度度上上，，由由于于电电子子的的波波动动性性质质而而呈呈现现各各种种量量子子效效应应，，使使得得电电子子器器件件已已无无法法按按照照通通常常的的要要求求进进行行工工作作纳纳米米电电子子学学正正是是面面对对这这种种挑挑战战而而诞诞生生的的在在纳纳米米电电子子学学这这个个天天地地里里，，新的发现，新的成果不断涌现新的发现，新的成果不断涌现 纳纳米米电电子子器器件件中中最最有有应应用用前前景景的的是是量量子子元元器器件件这这种种利利用用量量子子效效应应制制作作的的器器件件不不仅仅体体积积小小，，还还具具有有高高速速、、低低耗耗和和电电路路简简化化的的特特点点。
纳纳米米电电子子学学中中另另一一个个有有趣趣的的研研究究热热点点是是所所谓谓的的单单电电子子器器件件, ,在在单单电电子子器器件件中中，，利利用用库库仑仑阻阻塞塞效效应应，，甚甚至至能能够够对对电电子子一一个个一一个个的的加加以以控控制制，，这这有有可可能能开开发发出出单单电电子子的的数数字字电电路路或或存存储储器器开开发发单单电电子子晶晶体体管管, , 只只要要控控制制一一个个电电子子的的行行动动即即可可完完成成特特定定功功能能, ,使使功功耗耗降降低低到到原原来来的的1000-100001000-10000分分之一 纳纳米米存存储储器器，，存存储储密密度度可可达达每平方厘米每平方厘米10万亿字节万亿字节 基基于于利利用用 STM 对对分分子子、、原原子子进进行行搬搬迁迁的的事事实实，，人人们们产产生生了了利利用用该该技技术术制制造造分分子子存存储储器器甚甚至至原原子子存存储储器器的的梦梦想想物物体体的的表表面面有有原原子子的的位位置置为为“1”，，没没原原子子为为“0”，，这这不不就就可可以以表表示示二二进进制制吗吗？？这这不不就就是是存存储储器器吗吗？？一一个个分分子子存存储储器器能能够够存存储储的的信信息息，，相相当当于于100万万张张光光盘盘的的存存储储量量；；而而一一张张同同样样大大小小的的原原子存储器子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！ 科科学学研研究究发发现现，，当当材材料料的的颗颗粒粒缩缩小小到到只只有有几几纳纳米米到到几几十十纳纳米米时时，，由由于于颗颗粒粒表表面面相相对对活活跃跃的的原原子子数数量量与与颗颗粒粒内内部部结结构构稳稳定定的的原原子子数数量量的的比比例例大大大大增增加加，，使使得材料的性质发生了意想不到的变化。
得材料的性质发生了意想不到的变化 陶陶瓷瓷材材料料具具有有坚坚硬硬、、耐耐高高温温等等优优良良特特性性，，工工业业界界一一直直认认为为陶陶瓷瓷是是未未来来汽汽车车、、飞飞机机发发动动机机的的理理想想材材料料陶陶瓷瓷材材料料在在通通常常情情况况下下呈脆性；呈脆性；由由纳纳米米粒粒子子压压制制成成的的纳纳米米陶陶瓷瓷材材料料有有很很好好的的韧韧性性因因为为纳纳米米材材料料具具有有较较大大的的界界面面，，界界面面的的原原子子排排列列是是相相当当混混乱乱的的，，原原子子在在外外力力变变形形的的条条件件下下很很容容易易迁迁移移，，因因此此表表现现出出甚甚佳佳的的韧韧性性与与延延展展性性使使发发动动机机工工作作在在更更高高的的温温度度下下，，汽汽车车会会跑跑得得更更快快，，飞飞机机会会飞飞得更高纳米纳米陶瓷陶瓷 具具有有未未来来超超级级纤纤维维之之称称的的碳碳纳纳米米管管是是当当前前材材料料研研究究领领域域中中非非常常热热门门的的纳纳米米材材料料，，它它是是一一种种由由碳碳原原子子组组成成的的、、直直径径只只有有几几个个纳纳米米的的极极微微细细的的纤纤维维管管碳碳纳纳米米管管具具有有极极其其奇奇特特的的性性质质：：它它的的强强度度比比钢钢高高100100倍倍，，但但是是重重量量只只有有钢钢的的六六分分之之一一；；它它的的导导电性十分怪异电性十分怪异. .不不同同结结构构碳碳纳纳米米管管的的导导电电性性可可能能呈呈现现良良导导体体、、半半导导体体、、甚甚至至绝绝缘缘体体。
因因此此它它也也许许能能成成为为纳纳米米级级印印刷刷电电路路的的材材料料碳碳纳纳米米管管可可能能做做成成纳纳米米开开关关，，或或者者做做成成极极细细的的针针头头用用于于给给细细胞胞“打针打针”等等碳纳米管碳纳米管 太太空空升升降降机机 由由于于碳碳纳纳米米管管的的强强度度高高、、重重量量轻轻，，如如果果把把它它做做成成““太太空空电电梯梯””缆缆绳绳，，使使缆缆绳绳的的长长度度是是从从同同步步轨轨道道卫卫星星下下垂垂到到地地面面的的距距离离，，它它也也完完全全可可以以经经得得住住自自身身的的重重量量到到那那个个时时候候，，人人类类到到太太空空旅旅行行将将是是一一件件轻轻而而易易举举的的事事情情如如果果用用它它做做成成地地球球- -月月球球乘乘人人的的电电梯梯，，人人们在月球定居就很容易了们在月球定居就很容易了 纳纳米米壁壁挂挂电电视视 用用纳纳米米有有机机发发光光材材料料制制作作的的电电视视屏屏幕幕可可以以象象一一幅幅图图画画一一样样卷卷起起来来带带走走纳纳米米有有机机发发光光材材料料的的特特点点是是材材料料既既具具有有柔柔性性，，同同时时可可以以在在电电场场的的作作用用下下发发出出各各种种颜颜色色的的光光。
用用碳碳纳纳米米管管制制成成电电子子枪枪,可可点点亮新一代平面显示屏亮新一代平面显示屏 纳纳米米固固体体燃燃料料 实实验验发发现现纳纳米米铜铜和和铝铝一一遇遇到到空空气气就就会会激激烈烈燃燃烧烧，，发发生生爆爆炸炸，，可可以以作作为为未未来来的的固固体体燃燃料料使使火火箭箭具有更大的推动力具有更大的推动力 纳纳米米隐隐身身飞飞机机 在在飞飞机机外外表表面面涂涂上上纳纳米米超超微微粒粒材材料料,可可以以有有效效吸吸收收红红外外光光和和电电磁磁波波，，这这就就使使得得红红外外探探测测器器及及雷雷达达得得到到的的反反射射信信号号强强度度大大大大降降低低，，因因此此很很难难发发现现被被探探测测目目标标，，起起到到了了隐隐身作用美国美国F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机美国美国B2隐形轰炸机隐形轰炸机 车车、、钳钳、、刨刨、、铣铣等等机机械械加加工工过过程程必必然然要要去去掉掉一一些些下下脚脚料料，，造造成成浪浪费费而而纳纳米米制制造造技技术术则则是是以以相相反反的的方方向向，，直直接接由由原原子子、、分分子子来来完完整整地地构构造造器器件件科科学学家家们们已已经经用用原原子子、、分分子子操操纵纵技技术术、、纳纳米米加加工工技技术术、、分分子子自自组组装装技技术术等等新新科科技技制制造造了了纳纳米米齿齿轮轮、、纳纳米米电池电池、、纳米探针纳米探针、、分子泵分子泵、、分子开关分子开关和和分子马达分子马达等。
等 分子自组装分子自组装 两两种种不不同同的的分分子子在在分分子子之之间间力力的的作作用用下下在在溶溶液液中中自自组组装装的的情情形形由由于于纳纳米米尺尺寸寸非非常常之之小小，，纳纳米米机机械械必必须须具具有有自自组组装装、、自自我复制等功能我复制等功能 由由碳碳纳纳米米管管制制作作的的纳纳米米齿齿轮轮模模型型，，纳纳米米齿齿轮轮上上的的原原子子清清晰可见 纳米齿轮纳米齿轮 分分子子马马达达是是由由生生物物大大分分子子构构成成，，利利用用化化学学能能进进行行机机械械做做功功的的纳纳米米系系统统天天然然的的分分子子马马达达，，如如：：驱驱动动蛋蛋白白、、RNA聚聚合合酶酶、、肌肌球球蛋蛋白白等等，，在在生生物物体体内内参参与与了了胞胞质质运运输输、、DNA复复制制、、细细胞胞分分裂裂、、肌肌肉肉收收缩缩等等一一系系列列重重要要生生命命活活动动以以微微管管蛋蛋白白为为轨轨道道，，沿沿微微管管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能 ATP酶（分子马达）酶（分子马达）ATP酶酶(adenosinetriphosphatase)可可催催化化ATP水水解解生生成成ADP及及无无机机磷磷的的反反应应，，这这一一反反应应放放出出大大量量能能量量，，以以供供生生物物体体进进行行生命过程生命过程 纳米直升机纳米直升机美美国国康康纳纳尔尔大大学学的的科科学学家家利利用用ATP酶酶作作为为分分子子马马达达，，研研制制出出了了一一种种可可以以进进入入人人体体细细胞胞的的纳纳米米机机电电设设备备--“纳纳米米直直升升机机”。
其其中中的的生生物物分分子子组组件件将将人人体体的的生生物物“燃燃料料”ATP转转化化为为机机械械能能量量，，使使得得金金属属推推进进器器的的运运转转速速率率达达到到每每秒秒8圈圈，，利利用用这这个个能能量量它它们们可可以以在在人人的的细细胞胞内内“飞飞翔翔”和和“着着陆陆”这这种种技技术术仍仍处处于于研研制制初初期期，，它它的的控控制制和和如如何何应应用用仍仍是是未未知知数数将将来来有有可可能能完完成成在在人人体体细细胞胞内内发发放药物等医疗任务放药物等医疗任务 美国朗讯科技公司和英国牛津大学的美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用科学家用DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)制造出制造出了一种纳米级的镊子，每条了一种纳米级的镊子，每条臂长只有臂长只有7nm 利用DNA基本元件碱基的配对基本元件碱基的配对机制，可以用机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制这控制这种镊子反复开合种镊子反复开合利用它将可以制造利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快算机体积更小，运算速度更快匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子如果有一种如果有一种超微型镊子超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。
制造纳米机械就容易多了 • 用用极极微微小小部部件件组组装装一一辆辆比比米米粒粒还还小小,能能够够运运转转的的汽汽车车、、微微型车床型车床，，可望可望钻进核电站管道系统检查裂缝；钻进核电站管道系统检查裂缝；• 只只有有蜜蜜蜂蜂大大小小且且能能升升空空的的直直升升机机，，眼眼睛睛几几乎乎看看不不见见的的发发动机；动机；• 提供化工使用的火柴盒大小的提供化工使用的火柴盒大小的反应器；反应器；• 驰驰骋骋未未来来战战场场上上的的纳纳米米武武器器，，如如麻麻雀雀卫卫星星、、蚂蚂蚁蚁士士兵兵、、蚊子导弹蚊子导弹、、苍蝇飞机苍蝇飞机、、间谍草间谍草等 纳米机械产品纳米机械产品 “麻雀卫星麻雀卫星”质量不足质量不足10千克，各种部件全千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗火箭一次就可以发射数百颗若在太阳同步轨道上等间隔地若在太阳同步轨道上等间隔地部署部署648颗功能不同的颗功能不同的“麻雀卫麻雀卫星星”，就可以保证在任何时刻对，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。
的工作也不会受影响 纳纳米米生生物物学学的的产产生生是是与与扫扫描描探探针针显显微微镜镜(SPM)SPM)的的发发明明和和在在生生命命科科学学中中的的应应用用分分不不开开的的生生命命过过程程是是已已知知的的物物理理、、化化学学过过程程中中最最复复杂杂的的过过程程纳纳米米生生物物学学是是从从微微观观的的角角度度来来观观察察生生命命现象、并以现象、并以对分子的操纵和改性对分子的操纵和改性为目标的为目标的 生生物物学学家家在在纳纳米米生生物物学学领领域域提提出出了了许许多多富富有有挑挑战战性性的的新新观观念念，，如如生生物物器器件件它它的的特特点点是是象象遗遗传传基基因因分分子子那那样样具具有有自自我我复复制制功功能能这这样样一一来来，，可可以以利利用用纳纳米米加加工工技技术术，，按按照照分分子子设设计计的的方方法法合合成成、、复复制制成成各各种种用用途途的的生生命命零零件件，，利利用用生生物物零零件件可可以以组组装装具具有有生生物物智智能能、、运运算算速速度度更更快快的的生生物物计计算算机机；；具具有有特特定定功功能能的的纳纳米米生生物物机机器器人人；；生生物物零零件件与与无无机机材材料或晶体材料结合可以制成料或晶体材料结合可以制成具有生命功能具有生命功能的的纳米电路纳米电路等。
等 右右图图为为科科学学家家幻幻想想的的人人体体中中的的血血红红细细胞胞和和人人造造细细胞胞在在一一起起的的情情景景人人体体中中红红血血球球的的重重要要功功能能之之一一是是向向身身体体的的各各个个部部分分输输送送氧氧分分子子，，如如果果身身体体的的某某些些部部分分缺缺氧氧，，那那部部分分就就会会感感到到疲疲劳劳画画中中的的蓝蓝色色小小球球(纳纳米米人人造造细细胞胞)称称为为呼呼吸吸者者，，它它们们不不仅仅具具有有比比红红血血球球携携带带氧氧分分子子多多数数百百倍倍的的功功能能，，而而且且本本身身装装有有纳纳米米计计算算机机、、纳纳米米泵泵，，可可以以根根据据需需要要将将氧氧释释放放，，同时将无用的二氧化碳带走同时将无用的二氧化碳带走 由由于于纳纳米米机机器器人人可可以以小小到到在在人人的的血血管管中中自自由由的的游游动动，，对对于于象象脑脑血血栓栓、、动动脉脉硬硬化化等等病病灶灶，，它它们们可可以以非非常常容容易易的的予予以以清清理理，，而而不不用用再再进进行行危危险险的的开开颅颅、、开开胸胸手手术术纳纳米米仿仿生生机机器器人人可可以以为为人人体体传传送送药药物物，，进行细胞修复进行细胞修复等工作。
等工作 纳米生物机器人在疏通血管纳米生物机器人在疏通血管 用用纳纳米米材材料料制制成成的的人人工工眼眼球球，，不不仅仅可可以以象象真真的的眼眼睛睛一一样样同同步步移移动动，，也也能能通通过过电电脉脉冲冲刺刺激激大大脑脑神经，看到精彩的世界神经，看到精彩的世界纳纳米米生生物物导导弹弹”专专门门对对付付癌癌症症，，这这一一针针对对癌癌症症的的超超细细纳纳米米药药物物，，能能将将抗抗肿肿瘤瘤药药物物连连接接在在磁磁性性超超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼纳纳米米细细胞胞修修复复器器用用于于修修复复细细胞胞内内的的各各种种病病变变，，如如线粒体、细胞核的病变；线粒体、细胞核的病变； 纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展u自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术u1931年，英国物理学家年，英国物理学家E. Ruska和和M. Knoll发明电子显微镜发明电子显微镜u1968年，美国贝尔实验室年，美国贝尔实验室A. Y. Cho和和J. Arthur发明分子束外延技术发明分子束外延技术u1981年，德国物理学家年，德国物理学家 H. Gleiter发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法u1982年，年，IBM实验室实验室G. Binig, H. Rohrer 发明扫描隧道显微镜发明扫描隧道显微镜(STM)u1985年，日本物理学家年，日本物理学家H. W. Kroto发明富勒烯制备技术发明富勒烯制备技术u1990年，英国物理学家年，英国物理学家L. T. Canham发明纳米多孔硅制备技术发明纳米多孔硅制备技术u1991年，日本物理学家年，日本物理学家Sumio Lijirma发明碳纳米管制备技术发明碳纳米管制备技术u1998年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家C. Dekker制备出基于碳纳米管的纳米晶体管制备出基于碳纳米管的纳米晶体管u1999年，美国物理学家年，美国物理学家J. M. Tour 和和M. A. Reed制备出纳米单分子开关制备出纳米单分子开关u进入进入21世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展 扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜具具有有很很高高的的空空间间分分辨辨率率，，横横向向可可达达0.1纳纳米米，，纵纵向向可可优优于于0.01纳纳米米。
它它主主要要用用来来描描绘绘表表面面三三维维的的原原子子结结构构图图，，在在纳纳米米尺尺度度上上研研究究物物质质的的特特性性，，还还可可以以实实现现对对表表面面的的纳纳米米加加工工，，如如直直接接操操纵纵原原子子或或分分子子，，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等 STM头部头部由由STM头部、电子学处理头部、电子学处理系统系统，减震系统以及计算，减震系统以及计算机系统组成机系统组成 基基本本原原理理是是基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应和和三三维维扫扫描描它它是是用用一一个个极极细细的的探探针针(针针尖尖头头部部为为单单个个原原子子)去去接接近近样样品品表表面面，，当当针针尖尖和和样样品品表表面面靠靠得得很很近近(小小于于1纳纳米米)时时，，针针尖尖头头部部的的原原子子和和样样品品表表面面原原子子的的电电子子云云发发生生重重叠叠此此时时若若在在针针尖尖和和样样品品之之间间加加上上一一个个偏偏压压，，电电子子便便会会穿穿过过针针尖尖和和样样品品之之间间的的势势垒垒而而形形成成纳纳安安级级(10-9A)的的隧隧道道电电流流；；隧隧道道电电流流对对距距离离非非常常敏敏感感，，保保持持针针尖尖与与样样品品表表面面间间距距的的恒恒定定，，控控制制压压电电陶陶瓷瓷使使探探针针沿沿表表面面进进行行精精确确的的三三维维(x, y, z)移移动动扫扫描描时时，，由由于于样样品品表表面面高高低低不不平平而而使使针针尖尖与与样样品品之之间间的的距距离离发发生生变变化化，，而而距距离离的的变变化化引引起起了了隧隧道道电电流流的的变变化化；；控控制制和和记记录录隧隧道道电电流流的的变变化化，，并并把把信信号号送送入入计计算算机机进进行行处处理理，，就就可可以以得得到到样样品品表表面面高高分分辨辨率率的的三三维维形形貌貌图图像像。
扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜一般用于导体和半导体表面的测定一般用于导体和半导体表面的测定 高序石墨原子高序石墨原子 STM图象图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构: 硅表面硅原子硅表面硅原子 STM图象图象 1990年年，，纳纳米米技技术术获获得得了了重重大大突突破破美美国国IBM公公司司阿阿尔尔马马登登研研究究中中心心(Almaden Research Center)的的科科学学家家展展示示了了一一项项令令世世人人瞠瞠目目结结舌舌的的成成果果，，他他们们使使用用STM把把35个个氙氙原原子子移移动动到到各各自自的的位位置置，，在在镍镍金金属属表表面面 组组成成了了“IBM”三三个个字字母母，，这这三三个个字字母母加加起来不到起来不到3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBM商标商标 1991年年IBM公公司司的的“拼拼字字”科科研研小小组组利利用用STM把把一一氧氧化化碳碳分分子子竖竖立立在在铂铂表表面面上上、、分分子子间间距距约约0.5纳纳米米的的“分分子子人人”，，这这个个“分分子子人人”从从头头到到脚脚只只有有5纳纳米米，，堪堪称称世世界界上上最最小小的的人人形形图图案案 。
1993年年中中国国科科学学院院北北京京真真实实物物理理实实验验室室用用STM操操纵纵硅硅原原子子写写出出“中中国国”两两个个字字，，标标志志着着中中国国开开始始在在国国际际纳纳米米科科技技领领域域占占有有一一席席之之地地在在室室温温下下，，用用STM的的针针尖尖，，并并通通过过针针尖尖与与硅硅样样品品之之间间的的相相互互作作用用，，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国中国”的图形 世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图中中国国科科学学院院化化学学所所的的科科技技人人员员利利用用STM在在石石墨墨表表面面上上通通过过搬迁碳原子绘制出的搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图 1993年年 5月月 ，， IBM 的的 科科 学学 家家M.Crommie等等在在4 K的的温温度度下下用用电电子子束束将将单单层层的的Fe原原子子蒸蒸发发到到Cu (111)表表面面，，然然后后用用STM 针针尖尖将将48个个铁铁原原子子排排列列成成直直径径为为14.3 nm 的圆形围栏的圆形围栏围围栏栏由由分分立立的的铁铁原原子子(间间距距0.95 nm)组组成成而而不不连连续续，，却却能能形形成成一一个个势势阶阶围围住住栏栏内内处处于于铜铜表表面面的的电子，故称为电子，故称为“量子围栏量子围栏”。
量子围栏量子围栏” Quantum CorralM.F. Crommie, et al., Science 262, 218 (1993). 第一阶段第一阶段（（1990年以前）年以前）第二阶段第二阶段（（1994年以前）年以前）第三阶段第三阶段（（1994年至今）年至今）研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料重点在于纳米组装体系人工组装合成的纳米结构重点在于纳米组装体系人工组装合成的纳米结构材料提出越来越受到关注材料提出越来越受到关注纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：主主要要是是在在实实验验室室探探索索用用各各种种手手段段制制备备各各种种材材料料的的纳纳米米颗颗粒粒粉粉体体，，合合成成块块体体(包包括括薄薄膜膜)，，研研究究评评估估表表征征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能 纳米材料的存在形式纳米材料的存在形式 纳米材料的分类纳米材料的分类 如果如果按维数按维数，纳米材料的，纳米材料的基本单元基本单元可以分为四类：可以分为四类： (1) 零零维维，，指指在在空空间间三三维维尺尺度度均均在在纳纳米米尺尺度度，， 如如纳纳米米尺尺度度颗颗粒粒、、原子团簇等；原子团簇等；(2) 一一维维，，指指在在空空间间有有两两维维处处于于纳纳米米尺尺度度，，如如纳纳米米丝丝、、纳纳米米棒棒、、纳米管、纳米带等；纳米管、纳米带等；(3) 二二维维，，指指在在三三维维空空间间中中有有一一维维在在纳纳米米尺尺度度，，如如超超薄薄膜膜、、多多层膜层膜、、超晶格等。
超晶格等4) 三维，三维，纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料由它们作为基本单元构成的材料 Ag nanosphere particles (10nm)CdS nanocrystals (3.8nm) InSe nanocrystals (7.5nm) Diameter: 57nmLength: 400nmPbCrO4 nanorodsVO2 nanorodsDiameter: 40-60nmLength: 1-2um Ag2Se nanowiresDiameter: 30-40nm Length: ~50um ZnO nanotubesOuter diameter: 80nm Wall thickness: 20nm CdS nanobeltsWidth: several tens to several hundreds of nanometersThickness: 60nmLength: several tens to several hundreds of micrometers; some of them even have lengths on the order of millimeter. Al2O3 porous filmPorous diameter :70nm Co(OH)2 hexagonal nanoplateletsα- Co(OH)2β- Co(OH)2W i d t h : s e v e r a l m i c r o m e t e r sThickness: 1 5 n mNote: The insets show bottles of the suspensions obtained by dispersing the platelets in ethanol. 纳米块体材料纳米块体材料由纳米微粒组成的体相材料由纳米微粒组成的体相材料由由大大量量纳纳米米微微粒粒在在保保持持表表(界界)面面清清洁洁条条件件下下组组成成的三维系统，其界面原子所占比例很高的三维系统，其界面原子所占比例很高单相微粒组成的纳米相材料；单相微粒组成的纳米相材料；两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料 (a)(b)Cu3SnS4 nanoshell tubesThe individual nanoshell tube is made up of spherical nanoparticles with diameter of 20-50nm. α- - Fe2O3 urchin-like superstructureThese Fe2O3 nanorods attach together and assemble into 3D urchin-like superstructures with rod-like crystallites radiating from the center. The individual nanorods have a mean diameter of about 80nm. PbS 3D dendritic nanostructureThe length of the trunk and the diameter of the branches of the PbS dendrites is about 2-4um and 40-100nm, respectively. Porous CuInS2 microspheresThe microspheres are composed of nanosheets with average thickness of 30nm. These nanosheets interconnnect with each other to form an entangled network-like architecture with irregular-shaped pore. 按按化化学学组组成成可可分分为为：：纳纳米米金金属属、、纳纳米米非非金金属属、、纳纳米米塑塑料料、、纳纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。
米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等按按材材料料物物性性可可分分为为：：纳纳米米半半导导体体、、纳纳米米磁磁性性材材料料、、纳纳米米非非线线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等按按应应用用可可分分为为：：纳纳米米电电子子材材料料、、纳纳米米光光电电子子材材料料、、纳纳米米生生物物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等 6.2 纳米材料的特性及应用纳米材料的特性及应用 表面效应表面效应小尺寸效应小尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 物理性能物理性能化学性能化学性能表面活性及敏感性表面活性及敏感性催化性能催化性能 一、表面效应一、表面效应10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，表面积迅速增大随着尺寸的减小，表面积迅速增大纳纳米米粒粒子子的的表表面面原原子子数数与与总总原原子子数数之之比比随随着着粒粒子子尺尺寸寸的的减减小小而而显显著著增增加加，，粒粒子子的的表表面面能能及及表表面面张张力力随随着着增增加加，，物物理理、、化学性质发生变化。
化学性质发生变化 粒度减小引起的表面效应粒度减小引起的表面效应(纳米粒子纳米粒子)l粒度减小比表面积增大粒度减小比表面积增大l粒度减小表面原子所占比例增大粒度减小表面原子所占比例增大l表表面面原原子子比比物物质质内内部部原原子子具具有有更更高高的的比比表表面面能能，，表表面面原原子比物质内部原子具有更高活性和化学反应性子比物质内部原子具有更高活性和化学反应性 边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面Av /（（m2/m3））1×10-2 1 6 ×102 1×10-3 103 6 ×103 1×10-5 109 6 ×105 1×10-7 1015 6 ×107 1×10-9 1021 6 ×109 把把边边长长为为1 cm的的立立方方体体1cm3逐逐渐渐分分割割成成小小立立方方体体时时，，比表面增长情况列于下表：比表面增长情况列于下表：单位质量的单位质量的物质物质所具有的表面积；单位体积的物质所具有的表面积所具有的表面积；单位体积的物质所具有的表面积 表面原子所占比例增大表面原子所占比例增大表面能增大表面能增大 在在T和和P组成恒组成恒定时，可逆地定时，可逆地使表面积增加使表面积增加dA所需的功叫所需的功叫表面功表面功 随随着着颗颗粒粒尺尺寸寸的的量量变变，，在在一一定定条条件件下下会会引引起起颗颗粒粒性性质质的的质质变变。
由由于于颗颗粒粒尺尺寸寸变变小小所所引引起起的的宏宏观观物物理理性性质质的的变变化化称称为为小尺寸效应小尺寸效应1) 特殊的光学性质特殊的光学性质(2) 特殊的热学性质特殊的热学性质(3) 特殊的磁学性质特殊的磁学性质(4) 特殊的力学性质特殊的力学性质二、二、 小尺寸效应小尺寸效应 小尺寸效应产生原因：小尺寸效应产生原因：当当纳纳米米颗颗粒粒的的尺尺寸寸与与光光波波波波长长、、德德布布罗罗意意波波长长以以及及超超导导态态的的相相干干长长度度或或透透射射深深度度等等物物理理特特征征尺尺寸寸相相当当或或更更小小时时晶晶体体周周期期性性的的边边界界条条件件被被破破坏坏，，非非晶晶态态纳纳米米颗颗粒粒表表面面层层附附近近原原子子密密度度减减小小, 这这将导致声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的尺寸效应将导致声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的尺寸效应一一质质量量m=0.05㎏㎏的的子子弹弹, 以以速速率率v＝＝300m/s运运动动着着, 其其德德布布罗罗意意波长为多少波长为多少? 纳纳米米颗颗粒粒大大的的比比表表面面导导致致了了平平均均配配位位数数下下降降，，不不饱饱和和键键和和悬悬键键增增多多，，使使得得界界面面极极化化，，吸吸收收频带展宽。
频带展宽在在红红外外光光场场作作用用下下，，纳纳米米颗颗粒粒对对红红外外吸吸收收的的频频率率存存在在一一个个较较宽宽的的分分布布，，导导致致纳纳米米颗颗粒粒的的红红外吸收带的宽化外吸收带的宽化 1、宽频带强吸收、宽频带强吸收2.1 光学性质光学性质 金金属属超超微微颗颗粒粒对对光光的的反反射射率率很很低低，，通通常常可可低低于于l％％，，大大约约几几微微米米的的厚厚度度就就能能完完全全消消光光利利用用这这个个特特性性可可以以高高效效率率地地将将太太阳阳能能转转变变为为热热能能、、电电能能还还可可能能应应用用于于红红外外敏敏感感元元件件、、红红外外隐隐身技术身技术等1991年年春春的的海海湾湾战战争争，，美美国国F-117A型型隐隐身身战战斗斗机机外外表表所所包包覆覆的的材材料料中中就就包包含含有有多多种种纳纳米米超超微微颗颗粒粒，，它它们们对对不不同同波波段段的的电电磁磁波波有有强强烈烈的的吸吸收收能能力力，，以以欺欺骗骗雷雷达达，，达达到到隐隐形形目目的的，，成成功功地地实实现了对伊拉克重要军事目标的打击现了对伊拉克重要军事目标的打击隐身战斗机隐身战斗机隐身潜艇隐身潜艇 当当黄黄金金被被细细分分到到小小于于光光波波波波长长的的尺尺寸寸时时，，便便失失去去了了原原有有的的富富贵贵光光泽泽而而呈呈黑黑色色。
事事实实上上，，所所有有的的金金属属在在超超微微颗颗粒粒状状态态都都呈呈现现为为黑黑色色尺尺寸寸越越小小，，颜颜色色愈愈黑黑，，银银白白色色的的铂铂(白白金金)变变成成铂铂黑黑，，金属铬变成铬黑金属铬变成铬黑• 铂黑能吸附大量的氢、氧铂黑能吸附大量的氢、氧等气体，在许多气体反应中等气体，在许多气体反应中可用作催化剂可用作催化剂• 将铂黑镀在铂或金电极的将铂黑镀在铂或金电极的表面上，常用作氢电极或其表面上，常用作氢电极或其他气体电极他气体电极 蓝移：吸收带向短波方向移动蓝移：吸收带向短波方向移动纳纳米米颗颗粒粒的的吸吸收收带带普普遍遍存存在在“蓝蓝移移”现象的原因：现象的原因：l量子尺寸效应；量子尺寸效应；l表面效应表面效应2、蓝移和红移现象、蓝移和红移现象 ＡＡBCD 3、纳米粒子发光、纳米粒子发光蝴蝶翅膀的色彩蝴蝶翅膀的色彩产产生生原原因因：：半半导导体体具具有有窄窄的的直直接接跃跃迁迁的的带带隙隙，，因因此此在在光光激激发发下电子容易跃迁引起发光下电子容易跃迁引起发光 Fe(OH)3胶体丁达尔效应示意图丁达尔效应示意图光源光源凸透镜凸透镜光锥光锥 1、、纳纳米米颗颗粒粒的的熔熔点点 物物质质熔熔点下降点下降金纳米微粒的粒径与熔点的关系金纳米微粒的粒径与熔点的关系2.2 热学性能热学性能 固固态态物物质质在在其其形形态态为为大大尺尺寸寸时时，，其其熔熔点点是是固固定定的的，，超超细细微微化化后后其其熔点将显著降低熔点将显著降低，当颗粒小于，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
纳米量级时尤为显著例例如如，，金金的的常常规规熔熔点点为为1064℃1064℃，，当当颗颗粒粒尺尺寸寸减减小小到到1010纳纳米米时时，，则则降降低低27℃27℃，，2 2纳纳米米尺尺寸寸时时的的熔熔点点仅仅为为327℃327℃左左右右；；银银的的常常规规熔熔点点为为670℃670℃，，而而超超微微银银颗颗粒粒的的熔熔点点可可低低于于100℃100℃因因此此，，超超细细银银粉粉制制成成的的导导电电浆浆料料可可以以进进行行低低温温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料 物质熔点下降的程度：物质熔点下降的程度：△△T：块状物质熔点：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒熔点与纳米颗粒熔点(T)之差；之差；γSL ：为固液界面张力；：为固液界面张力；ρ：密度；：密度；△△H为熔化热；为熔化热；r为颗粒粒径为颗粒粒径 纳米颗粒熔点下降的原因：纳米颗粒熔点下降的原因：熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒熔点熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒熔点急剧下降急剧下降 2、纳米颗粒的蒸汽压上升、纳米颗粒的蒸汽压上升式中：式中：P、、P0 ：分别为纳米颗粒和块状物质的蒸汽压；：分别为纳米颗粒和块状物质的蒸汽压；M：摩尔质量；：摩尔质量；R：为气体常数；：为气体常数；T：为绝对温度：为绝对温度 3、纳米颗粒的烧结温度降低、纳米颗粒的烧结温度降低 原因：原因： 界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力运动的驱动力 4、纳米颗粒的结晶温度降低、纳米颗粒的结晶温度降低 纳纳米米颗颗粒粒开开始始长长大大的的温温度度随随粒粒径径的的减减小小而而降降低低，，即即非非晶晶纳纳米米颗粒的晶化温度降低。
颗粒的晶化温度降低纳纳米米颗颗粒粒的的熔熔点点、、开开始始烧烧结结温温度度和和晶晶化化温温度度均均随随粒粒径径的的减减少少而有较大幅度的降低，而蒸汽压则有较大幅度的升高而有较大幅度的降低，而蒸汽压则有较大幅度的升高 金金属属纳纳米米颗颗粒粒表表面面上上的的原原子子十十分分活活泼泼可可用用纳纳米米颗颗粒粒的的粉粉体作为体作为火箭的固体燃料、催化剂火箭的固体燃料、催化剂例例如如, 在在火火箭箭发发射射的的固固体体燃燃料料推推进进剂剂中中添添加加l％％重重量量比比的的超超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加增加 l 倍倍 纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得它具有常规固体材料所不具备的磁特性超微颗粒的磁特性它具有常规固体材料所不具备的磁特性超微颗粒的磁特性可以归纳如下：可以归纳如下：1. 超顺磁性超顺磁性2. 高矫顽力高矫顽力3. 居里温度下降居里温度下降 4. 比磁化率比磁化率 2.3 磁学性能磁学性能 1) 矫矫顽顽力力—纳纳米米颗颗粒粒尺尺寸寸高高于于超超顺顺磁磁临临界界尺尺寸寸时时通通常常呈呈现现高高的的矫矫顽顽力力HC, 使使已已被被磁磁化化后后的的铁铁磁磁体体的的磁磁感感应应强强度度降降为为零零所所必必须须施施加加的的磁磁场场强度。
强度它是粒子形态和尺寸的函数它是粒子形态和尺寸的函数2) 超顺磁性超顺磁性 是是指指当当磁磁性性粒粒子子的的粒粒径径小小于于某某一一临临界界尺尺寸寸(如如Fe3O4<30nm)后后, 在在有有外外加加磁磁场场存存在在时时, 表表现现出出较较强强的的磁磁性性但但当当外外磁磁场场撤撤消消时时，，无无剩剩磁磁，，不不再表现出磁性再表现出磁性特特点点是是：：纳纳米米颗颗粒粒的的磁磁化化率率χ不不再再服服从从居居里里-外外斯斯定定律律，，χ在在居居里里点点附附近近没有明显的突变值没有明显的突变值C为为居居里里常常数数；；TC为为居居里里温温度度(铁铁电电体体从从铁铁电电相相转转变变成成顺顺电电相相引引的的相相变变温度温度) 【【例例】】纳米微粒的其它磁特性纳米微粒的其它磁特性 ①① 纳纳米米金金属属Fe(5nm)饱饱和和磁磁化化强强度度比比常常规规α-Fe低低40％％，，其其饱饱和和磁磁化化强强度度随随粒径的减小而下降粒径的减小而下降②② 单单晶晶FeF2由由顺顺磁磁转转变变为为反反铁铁磁磁的的奈奈耳耳温温度度范范围围很很窄窄，，只只有有2K，，而而纳纳米米FeF2(10nm)在在78～～88K由由顺顺磁磁转转变变为为反反铁铁磁磁，，即即有有一一个个宽宽达达12K的的奈奈耳耳温度范围；温度范围；③③ 1988年年日日本本发发现现纳纳米米合合金金Fe-Si-Bi-Cu(20～～50nm)具具有有好好的的软软磁磁性性能能，，可可用用作作高高频频转转换换器器，，其其芯芯耗耗低低至至200mW／／cm3，，有有效效磁磁导导率率高高于于108。
当当晶粒度大于晶粒度大于100nm时，上述软磁性能消失时，上述软磁性能消失④④ Sb通常为抗磁性，其通常为抗磁性，其χ＜＜0，但纳米微晶的，但纳米微晶的χ＞＞0，表现出顺磁性，表现出顺磁性小小尺尺寸寸的的超超微微颗颗粒粒磁磁性性与与大大块块材材料料显显著著的的不不同同，，大大块块的的纯纯铁铁矫矫顽顽力力约约为为 80安安／／米米，，而而当当颗颗粒粒尺尺寸寸减减小小到到 20纳纳米米以以下下时时，，其其矫矫顽顽力力可可增增加加1千千倍倍，，若若进进一一步步减减小小其其尺尺寸寸，，大大约约小小于于 6纳纳米米时时，，其其矫矫顽顽力力反反而而降降低低到到零零，，呈呈现出现出超顺磁性超顺磁性 利利用用磁磁性性超超微微颗颗粒粒具具有有高高矫矫顽顽力力的的特特性性，，已已作作成成高高贮贮存存密密度度的的磁记录磁粉磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中大量应用于磁带、磁盘及磁卡中 磁磁性性液液体体(magnetic liquids)是是一一种种液液态态的的磁磁性性材材料料该该材材料料既既具具有有固固体体的的磁磁性性又又具具有有液液体体的的流流动动性性它它是是由由粒粒径径为为纳纳米米尺尺寸寸(几几个个到到几几十十个个纳纳米米)的的磁磁性性微微粒粒，，依依靠靠表表面面活活性性剂剂的的帮帮助助，，均均匀匀分分散散、、悬悬浮浮在在载载液液(基基液液加加表表面面活活性性剂剂)中中，，构构成成的的一一种种固固液液两两相相的的胶胶体体混混合合物物，，这这种种材材料料即即使使在在重重力力、、离离心心力力或或电电磁磁力力作作用用下下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。
也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料 利利用用超超顺顺磁磁性性，，已已将将磁磁性性超超微微颗颗粒粒制制成成用用途途广广泛泛的的磁磁性性液液体体，，用用于于电电声声器器件件、、阻阻尼尼器器件件、、旋旋转转密密封封、、润润滑滑、、磁磁性性传传感感器器、、选选矿矿等等领域领域 原理示意图原理示意图磁性液体受磁场作用磁性液体受磁场作用 生物导航能力的秘密生物导航能力的秘密Ø海龟迁徙海龟迁徙Ø蜜蜂飞行蜜蜂飞行Ø磁感细菌磁感细菌 人人们们发发现现鸽鸽子子、、海海豚豚、、蝴蝴蝶蝶、、蜜蜜蜂蜂以以及及生生活活在在水水中中的的趋趋磁磁细细菌菌等等生生物物体体中中存存在在超超微微的的磁磁性性颗颗粒粒，，使使这这类类生生物物在在地地磁磁场场导导航下能辨别方向，具有回归的本领航下能辨别方向，具有回归的本领 磁磁性性超超微微颗颗粒粒实实质质上上是是一一个个生生物物磁磁罗罗盘盘，，生生活活在在水水中中的的趋趋磁磁细细菌菌依依靠靠它它游游向向营营养养丰丰富富的的水水底底通通过过电电子子显显微微镜镜的的研研究究表表明明，，在在趋趋磁磁细细菌菌体体内内通通常常含含有有直直径径约约为为20纳纳米米的的磁磁性性氧氧化化物物颗粒。
颗粒何何为为趋趋磁磁细细菌菌？？20世世纪纪70年年代代，，美美国国微微生生物物学学家家勃勃列列依依克克摩摩尔尔在在大大西西洋洋底底发发现现了了一一种种奇奇异异的的细细菌菌，，它它们们总总是是沿沿着着地地磁磁场场的的磁磁力力线线运运动动一一起起行行动动时时，，自自动动排排成成一一条条条条“生生物物磁磁力力线线”，，十十分分美美观观它它们们决决不不会会自自乱乱阵阵脚，勃列依克摩尔就美其名曰脚，勃列依克摩尔就美其名曰“趋磁细菌趋磁细菌” a) 活的细菌体内完整的磁小体活的细菌体内完整的磁小体 它它们们为为什什么么具具有有这这种种特特殊殊的的功功能能呢呢？？经经美美、、德德、、日日等等国国科科学学家家多多年年的的研研究究，，发发现现趋趋磁磁细细菌菌的的细细胞胞中中有有一一种种“磁磁小小体体”每每个个磁磁小小体体都都是是一一个个被被磷磷脂脂膜膜包包覆覆的的高高纯纯度度、、纳纳米米级级、、有有独独特特结结构构的的单单磁磁畴畴小小晶晶体体这这些些磁磁小小体体沿沿细细胞胞的的长长轴轴排排列列成成链链状状，，使使每每个个细细菌菌都都成成了了一一个个小小小小“指指南南针针”，，彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来。
彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来b) 获得的磁小体链获得的磁小体链 由由于于纳纳米米材材料料粒粒度度非非常常微微小小，，具具有有良良好好的的表表面面效效应应，，1克克纳纳米米材材料料的的表表面面积积达达到到几几百百平平方方米米因因此此, 用用纳纳米米材材料料制制成成的的产产品品其其强强度度、、柔柔韧韧度度、、延延展展性性都都十十分分优优越越，，就就象象一一种种有有千千万万对对脚脚的的毛毛毛毛虫虫，，当当它它吸吸附附在在光光滑滑的的玻玻璃璃面面上上时时，，由由于于接接触触面面积大，积大，12级台风有也吹不掉它级台风有也吹不掉它纳米铜纳米铜2.4 力学性能力学性能 超塑延展性超塑延展性 陶陶瓷瓷材材料料在在通通常常情情况况下下呈呈脆脆性性，，陶陶瓷瓷茶茶壶壶一一摔摔就就碎碎，，然然而而由由纳纳米米超超微微颗颗粒粒压压制制成成的的纳纳米米陶陶瓷瓷材材料料，，竟竟然然可可以以象象弹弹簧簧一一样样具有具有良好的韧性良好的韧性研研究究表表明明，，人人的的牙牙齿齿之之所所以以具具有有很很高高的的强强度度，，是是因因为为它它是是由由磷酸钙等纳米材料磷酸钙等纳米材料构成的纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷茶壶纳米陶瓷茶壶牙齿牙齿 研研究究表表明明纳纳米米晶晶粒粒的的金金属属要要比比传传统统的的粗粗晶晶粒粒金金属属硬硬3～～5倍倍。
对于对于金属金属---陶瓷陶瓷复合纳米材料，其应用前景十分宽广复合纳米材料，其应用前景十分宽广例例如如：：钴钴-碳碳化化钨钨纳纳米米复复合合材材料料具具有有高高硬硬、、高高强强特特征征，，可可应应用用于于集集成成电电路路板板、、微微型型钻钻头头、、点点阵阵打打印印机机打打印印针针头头、、耐耐磨磨零零部部件、军用装备等方面件、军用装备等方面 三三、、量量子子尺尺寸寸效效应应当当粒粒子子尺尺寸寸下下降降到到某某一一值值时时，，金金属属费费米米能能级级附附近近的的电电子子能能级级由由准准连连续续能能级级变变为为离离散散能能级级的的现现象象和和纳纳米米半半导导体体微微粒粒存存在在不不连连续续的的最最高高被被占占据据轨轨道道和和最最低低被被占占据据的的分分子子轨轨道道能能级级，，能能隙隙变宽的现象变宽的现象1. 原子中电子的能级原子中电子的能级量子化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化量子化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠原子分立的光谱线如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠原子分立的光谱线 2. 电子能级的不连续性电子能级的不连续性-久保理论久保理论对于宏观物体包含无限个原子对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数即导电电子数N→∞)。
久保公式久保公式 ：：能级间距能级间距δ→0，费米能级，费米能级( EF)大粒子或宏观物体能级间距几乎为零大粒子或宏观物体能级间距几乎为零------以能带形式存在以能带形式存在3. 纳米微粒的纳米微粒的能级分裂能级分裂纳纳米米微微粒粒所所包包含含原原子子数数有有限限，，N值值很很小小，，导导致致能能级级间间距距δ有有一一定定的的值，随着值，随着N的减小，能级间距的减小，能级间距δ变大，即能级发生分裂变大，即能级发生分裂当当能能级级间间距距大大于于热热能能kBT、、静静磁磁能能μ0μBH、、静静电电能能edE、、光光子子能能量量hv或或超超导导态态的的凝凝聚聚能能时时，，必必须须要要考考虑虑量量子子尺尺寸寸效效应应，，这这会会导导致致纳纳米米微微粒粒磁磁、、光光、、声声、、热热、、电电以以及及超超导导电电性性与与宏宏观观特特性性有有着着显显著著的的不同 4. 费米能级费米能级费米费米- -荻拉克分布函数荻拉克分布函数能能级级间间隔隔增增大大，，费费米米能能级级附附近近的的电电子子移移动动困困难难，，从从而而使使能能隙隙变变宽宽，，金金属属导导体体将将变变为为绝缘体说明：说明：金金属属费费米米能能级级附附近近电电子子能能级级一一般般是是连连续续的的，，这这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。
一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立对对于于只只有有有有限限个个导导电电电电子子的的超超微微粒粒子子来来说说，，低低温下能级是离散的温下能级是离散的 【【例例】】：：Ag微微粒粒为为例例计计算算在在1K时时出出现现量量子子尺尺寸寸效效应应(导导体体—绝绝缘缘体体)的的临临界界粒粒径径d0，，Ag的的电电子子密密度度：：n= 6 x1022/cm3 ，，h为为普普朗朗克克常常数数，，6.63×10-34 J•s，，m为电子的静止质量，为电子的静止质量，9.108×10-31 kg，由久保公式：，由久保公式：已知：已知：得到得到 / kB = (1.45 x 10-18)/V (K cm3)如果取如果取δ/kB=1K，微粒直径为，微粒直径为d，代入上式，求得，代入上式，求得 d0＝＝14 nm根根据据久久保保理理论论，，只只有有δ＞＞kBT(热热运运动动能能)时时才才会会产产生生能能级级分分裂裂，，从从而而出出现现量量子子尺尺寸寸效效应，即应，即 / kB = (1.45 x 10-18)/ V > 1由由此此得得出出，，1K时时，，当当粒粒径径d0＜＜14 nm，，Ag纳纳米米微微粒粒可可以以由由导导体体变变为为绝绝缘缘体体，，如如果果温温度高于度高于1K，则要求，则要求d0<<14 nm才有可能变为绝缘体。
才有可能变为绝缘体实实验验表表明明，，纳纳米米Ag的的确确具具有有很很高高的的电电阻阻，，类类似似于于绝绝缘缘体体，，这这就就是是说说，，纳纳米米Ag满满足足上述两个条件随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出现完全分离的能级上述两个条件随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出现完全分离的能级 四、宏观量子隧道效应四、宏观量子隧道效应 隧道效应：隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力微观粒子具有贯穿势垒的能力宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应：：颗颗粒粒的的一一些些宏宏观观物物理理量量，，如如微微磁磁化化强强度度，，量量子子相相干干器器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应件中的磁通量等亦具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应 电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应量量子子尺尺寸寸效效应应、、宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应将将会会是是未未来来微微电电子子、、光光电电子子器器件件的的基基础础，，或或者者说说它它确确立立了了现现存存微微电电子子器器件件进进一一步步微微型型化化的的极极限限，，当当微微电电子子器器件件进进一一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
步微型化时必须要考虑上述的量子效应例例如如，，在在制制造造半半导导体体集集成成电电路路时时，，当当电电路路的的尺尺寸寸接接近近电电子子波波长长时时，，电电子子就就通通过过隧隧道道效效应应而而溢溢出出器器件件，，使使器器件件无无法法正正常常工工作作，，经经典典电电路路的的极极限限尺尺寸寸大大概在概在0.25微米 1. 简述纳米材料的基本物理性能？简述纳米材料的基本物理性能？2. 表面效应的概念及其成因？表面效应的概念及其成因？3. 举例说明小体积效应的应用举例说明小体积效应的应用4. 纳米材料的线性光学性质主要有哪些？纳米材料的线性光学性质主要有哪些？思考题思考题作作业业-论论述述题题(通通过过查查阅阅文文献献和和资资料料)——无无机机纳纳米米材材料料的的制制备备方方法法有哪些，并就其中三种方法进行评述有哪些，并就其中三种方法进行评述周三下午的两节课不上课，用于文献查阅和调研周三下午的两节课不上课，用于文献查阅和调研) 106五、五、 纳米颗粒的化学特性纳米颗粒的化学特性1. 表面活性及敏感性表面活性及敏感性 l 固体火箭的燃料、催化剂；固体火箭的燃料、催化剂；l 利利用用表表面面活活性性，，金金属属超超微微颗颗粒粒可可望望成成为为新新一一代代的的高高效效催催化化剂剂和贮气材料以及低熔点材料；和贮气材料以及低熔点材料； l各种传感器各种传感器 106 l 催化剂吸附反应物的能力强；催化剂吸附反应物的能力强；l 光谱迁移性；光谱迁移性；l 扩散时间短扩散时间短2. 催化性能催化性能光触媒光触媒 纳米材料的应用纳米材料的应用——对生活的影响对生活的影响“电电子子技技术术的的发发展展在在20世世纪纪改改变变了了人人类类的的生生活活方方式式，，现现代代信信息息技技术术对对人人们们的的生生活活影影响响巨巨大大，，而而纳纳米米技技术术将将在在21世世纪纪极极大大地地影影响响人人类类的的生生活活，，而而且且其其影影响响力力将将大大大大高高于于计计算算机机技技术术对对我们的影响，这将会是一种让人意想不到的效果。
我们的影响，这将会是一种让人意想不到的效果 汽車汽車 Fuel Cell (Nanojet, 触媒触媒) Fuel Tank (减少减少HC 排放排放) NanoPorousFilter (减少减少Particle 排放排放) 保险杠保险杠 脚踏垫脚踏垫 减轻车重减轻车重电池隔离膜电池隔离膜移动移动 电子书电子书电脑电脑资讯储存资讯储存 。
