納米材料的神奇物理特性納米材料的神奇物理特性1納米的有關(guān)概念納米材料及技術(shù)的發(fā)展納米材料的神奇物理特性納米材料：納米的有關(guān)概念納米材料：2納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個(gè)極小的長(zhǎng)度單位：1nm=10-9m,1納米是1米的十億分之一，相當(dāng)于十個(gè)氫原子一個(gè)挨—個(gè)排起來(lái)的長(zhǎng)度，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)6萬(wàn)個(gè)納米。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元是原子，一納米相當(dāng)于五個(gè)原子并排起來(lái)的長(zhǎng)度。納米材料是納米科技的重要組成部分，由尺寸為1-100nm的超微粉組成的固態(tài)或液態(tài)材料。可分為兩個(gè)層次，即納米微粒和納米固體或液體。納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個(gè)極小的長(zhǎng)度單位3納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料在廣博的自然界、生物界中早已充滿了納米科學(xué)的內(nèi)涵。在堅(jiān)硬的牙齒的外表面排列著納米尺寸的微晶。廣義地說(shuō)，動(dòng)植物按最微基準(zhǔn)來(lái)定義，就是納米機(jī)器的組合體。蜜蜂、螃蟹、海龜?shù)捏w內(nèi)具有納米磁性粒子。中國(guó)古代利用燃燒的蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料，用于著色的染料等。1861年膠體化學(xué)出現(xiàn)，并隨之人們逐漸對(duì)直徑為1-100nm的微粒進(jìn)行研究。70年代末80年代初，人們對(duì)納米微粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料42.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀(ScanningTunnelingMicrosocopy)發(fā)明為先導(dǎo)的。該儀器是1981年由美國(guó)的IBM公司在蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的教授G.Binning和H.Rohrer博士發(fā)明的。這是目前為止進(jìn)行表面分析最精密的儀器，可以直接觀察到原子，橫向分辨率為0.1nm,縱向分辨率為0.01nm。1990年7月在美國(guó)巴爾基摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議。這次會(huì)議標(biāo)志著納米科技領(lǐng)域的正式形成。1992年9月在墨西哥召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議。正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于世。每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，1994年在德國(guó)召開(kāi)了第二屆，第三屆在美國(guó)的夏威夷召開(kāi)，1998年在瑞典召開(kāi)第四屆，2000年在日本的仙臺(tái)召開(kāi)第五屆。2.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀5

表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減少而大幅度地增加，比表面積（表面積/體積）增大，粒子的表面能和表面張力也會(huì)隨之增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。由于表面活性高，利用它的表面活性特點(diǎn)，金屬超微粒子可以做成新一代的高效環(huán)境友好催化劑和儲(chǔ)氫材料。在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加約1%（質(zhì)量）的超微鋁或鎳，燃料燃燒熱增加約1倍。納米ZnO、TiO2等半導(dǎo)體納米粒子的光催化作用在環(huán)保健康方面有廣泛的應(yīng)用。利用它的大表面比作成敏感材料，如氣、濕、光敏器件。納米材料的幾種物理特性表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子6小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會(huì)引起材料的宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的變化，稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。納米材料的幾種物理特性超微材料的做的鋼材料及油箱蓋小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會(huì)引7對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性。納米材料的幾種物理特性對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米8特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說(shuō)材料的空間維數(shù)減少，表面能增大，金屬納米材料的熔點(diǎn)減少。塊狀金的熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)變成10nm時(shí)，為1037℃，2nm時(shí)為327℃。銀的熔點(diǎn)可由690℃降到100℃。因此，銀超細(xì)粉制成的導(dǎo)電漿料可在低溫下燒結(jié)。這樣元件基片不必采用耐高溫的陶瓷，而可采用塑料。這種漿料做成膜既均勻、覆蓋面大，又省料、質(zhì)量好。納米材料的幾種物理特性特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說(shuō)材料的空間維數(shù)減少，9特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對(duì)光的反射率很低，一般低于1%，幾乎所有的金屬材料在細(xì)到小于光波的波長(zhǎng)時(shí)（幾千個(gè)埃）會(huì)失去原有的金屬光澤，呈現(xiàn)黑色。尺寸越小，顏色越黑。利用此特性可以做高效的光熱，光電轉(zhuǎn)換材料，同時(shí)，還可以做防紅外，防雷達(dá)的隱身材料，例如，用納米鐵氧體微粒制成的吸收波材料在國(guó)防軍事上有很大的應(yīng)用，美國(guó)已在這方面將此實(shí)用化了，1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)的隱身戰(zhàn)斗攻擊機(jī)F-117A共執(zhí)行任務(wù)1270次，無(wú)一損傷。納米材料的幾種物理特性特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對(duì)光的反射率很低，一般低于1%，幾10特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍。20nm的磁性氧化物的矯頑力是大塊鐵的1000倍，但當(dāng)尺寸再減少的時(shí)候，其矯頑力反而又降低了成為超順磁性。利用超微粒子具有的高的矯頑力的性質(zhì)，已做成了高儲(chǔ)存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡及磁性鑰匙等。如果磁光盤(pán)一旦進(jìn)入納米級(jí)，它的信息儲(chǔ)存量將為現(xiàn)有光盤(pán)的106倍。納米材料的幾種物理特性特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍。211量子效應(yīng)：孤立原子的能級(jí)是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成固體之后，由于晶體周期場(chǎng)的影響，分離的能級(jí)形成能帶。后來(lái)日本科學(xué)家在研究金屬粒子理論時(shí)發(fā)現(xiàn)由于超微粒子中原子數(shù)的減少，電子能級(jí)類(lèi)似孤立原子中的能級(jí),變?yōu)椴贿B續(xù),能帶中能級(jí)間隔加大。當(dāng)能隙大于它具有的熱能、電磁能時(shí)，超微粒子就會(huì)呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的性質(zhì)，稱(chēng)之為量子尺寸效應(yīng)。金屬導(dǎo)體可能變成半導(dǎo)體甚至絕緣體。對(duì)半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，由于尺寸的減少，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙增大，光吸收或者發(fā)光帶的特征波長(zhǎng)也不同于傳統(tǒng)材料。尺寸減少，發(fā)光帶的波長(zhǎng)向短波移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“藍(lán)移”。納米材料的幾種物理特性量子效應(yīng)：孤立原子的能級(jí)是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成12量子隧道效應(yīng)：電子具有粒子性也具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米顆粒也具有隧道效應(yīng)，屬于宏觀量子隧道效應(yīng)。這兩個(gè)量子效應(yīng)將是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)。目前，最精細(xì)的電子線路寬約為1微米，為頭發(fā)絲的1%，經(jīng)典電路的極限尺寸約為0.25um，要將電路進(jìn)一步微型化就很困難，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件。利用量子效應(yīng)開(kāi)發(fā)新技術(shù)和新裝置。電路依靠單個(gè)分子改變位置或形狀，就能儲(chǔ)存信息?；蛘咦龀煞肿娱_(kāi)關(guān)。納米材料的幾種物理特性量子隧道效應(yīng)：電子具有粒子性也具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。13謝謝觀看謝謝觀看14納米材料的神奇物理特性納米材料的神奇物理特性15納米的有關(guān)概念納米材料及技術(shù)的發(fā)展納米材料的神奇物理特性納米材料：納米的有關(guān)概念納米材料：16納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個(gè)極小的長(zhǎng)度單位：1nm=10-9m,1納米是1米的十億分之一，相當(dāng)于十個(gè)氫原子一個(gè)挨—個(gè)排起來(lái)的長(zhǎng)度，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)6萬(wàn)個(gè)納米。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元是原子，一納米相當(dāng)于五個(gè)原子并排起來(lái)的長(zhǎng)度。納米材料是納米科技的重要組成部分，由尺寸為1-100nm的超微粉組成的固態(tài)或液態(tài)材料?？煞譃閮蓚€(gè)層次，即納米微粒和納米固體或液體。納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個(gè)極小的長(zhǎng)度單位17納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料在廣博的自然界、生物界中早已充滿了納米科學(xué)的內(nèi)涵。在堅(jiān)硬的牙齒的外表面排列著納米尺寸的微晶。廣義地說(shuō)，動(dòng)植物按最微基準(zhǔn)來(lái)定義，就是納米機(jī)器的組合體。蜜蜂、螃蟹、海龜?shù)捏w內(nèi)具有納米磁性粒子。中國(guó)古代利用燃燒的蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料，用于著色的染料等。1861年膠體化學(xué)出現(xiàn)，并隨之人們逐漸對(duì)直徑為1-100nm的微粒進(jìn)行研究。70年代末80年代初，人們對(duì)納米微粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料182.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀(ScanningTunnelingMicrosocopy)發(fā)明為先導(dǎo)的。該儀器是1981年由美國(guó)的IBM公司在蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的教授G.Binning和H.Rohrer博士發(fā)明的。這是目前為止進(jìn)行表面分析最精密的儀器，可以直接觀察到原子，橫向分辨率為0.1nm,縱向分辨率為0.01nm。1990年7月在美國(guó)巴爾基摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議。這次會(huì)議標(biāo)志著納米科技領(lǐng)域的正式形成。1992年9月在墨西哥召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議。正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于世。每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，1994年在德國(guó)召開(kāi)了第二屆，第三屆在美國(guó)的夏威夷召開(kāi)，1998年在瑞典召開(kāi)第四屆，2000年在日本的仙臺(tái)召開(kāi)第五屆。2.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀19

表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減少而大幅度地增加，比表面積（表面積/體積）增大，粒子的表面能和表面張力也會(huì)隨之增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。由于表面活性高，利用它的表面活性特點(diǎn)，金屬超微粒子可以做成新一代的高效環(huán)境友好催化劑和儲(chǔ)氫材料。在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加約1%（質(zhì)量）的超微鋁或鎳，燃料燃燒熱增加約1倍。納米ZnO、TiO2等半導(dǎo)體納米粒子的光催化作用在環(huán)保健康方面有廣泛的應(yīng)用。利用它的大表面比作成敏感材料，如氣、濕、光敏器件。納米材料的幾種物理特性表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子20小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會(huì)引起材料的宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的變化，稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。納米材料的幾種物理特性超微材料的做的鋼材料及油箱蓋小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會(huì)引21對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性。納米材料的幾種物理特性對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米22特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說(shuō)材料的空間維數(shù)減少，表面能增大，金屬納米材料的熔點(diǎn)減少。塊狀金的熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)變成10nm時(shí)，為1037℃，2nm時(shí)為327℃。銀的熔點(diǎn)可由690℃降到100℃。因此，銀超細(xì)粉制成的導(dǎo)電漿料可在低溫下燒結(jié)。這樣元件基片不必采用耐高溫的陶瓷，而可采用塑料。這種漿料做成膜既均勻、覆蓋面大，又省料、質(zhì)量好。納米材料的幾種物理特性特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說(shuō)材料的空間維數(shù)減少，23特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對(duì)光的反射率很低，一般低于1%，幾乎所有的金屬材料在細(xì)到小于光波的波長(zhǎng)時(shí)（幾千個(gè)埃）會(huì)失去原有的金屬光澤，呈現(xiàn)黑色。尺寸越小，顏色越黑。利用此特性可以做高效的光熱，光電轉(zhuǎn)換材料，同時(shí)，還可以做防紅外，防雷達(dá)的隱身材料，例如，用納米鐵氧體微粒制成的吸收波材料在國(guó)防軍事上有很大的應(yīng)用，美國(guó)已在這方面將此實(shí)用化了，1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)的隱身戰(zhàn)斗攻擊機(jī)F-117A共執(zhí)行任務(wù)1270次，無(wú)一損傷。納米材料的幾種物理特性特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對(duì)光的反射率很低，一般低于1%，幾24特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍。20nm的磁性氧化物的矯頑力是大塊鐵的1000倍，但當(dāng)尺寸再減少的時(shí)候，其矯頑力反而又降低了成為超順磁性。利用超微粒子具有的高的矯頑力的性質(zhì)，已做成了高儲(chǔ)存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡及磁性鑰匙等。如果磁光盤(pán)一旦進(jìn)入納米級(jí)，它的信息儲(chǔ)存量將為現(xiàn)有光盤(pán)的106倍。納米材料的幾種物理特性特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍。225量子效應(yīng)：孤立原子的能級(jí)是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成固體之后，由于晶體周期場(chǎng)的影響，分離的能級(jí)形成能帶。后來(lái)日本科學(xué)家在研究金屬粒子理論時(shí)發(fā)現(xiàn)由于超微粒子中原子數(shù)的減少，電子能級(jí)類(lèi)似孤立原子中的能級(jí),變?yōu)椴贿B續(xù),能帶中能級(jí)間隔加大。當(dāng)能隙大于它具有的熱能、電磁能時(shí)，超微粒子就會(huì)呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的性質(zhì)，稱(chēng)之為量子尺寸效應(yīng)。金屬導(dǎo)體可能變成半導(dǎo)體甚至絕緣體。對(duì)半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，由于尺寸的減少，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙增大，光吸收或者發(fā)光帶的特征波長(zhǎng)也不同于傳統(tǒng)材料。尺寸減少，發(fā)光帶的波長(zhǎng)向短波移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“藍(lán)移”。納米材料的幾種物理特性量子效應(yīng)：孤立原子的能級(jí)是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成26量子隧道效應(yīng)：