納米材料期末測(cè)試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于納米材料的定義，正確的是（）A.至少有一維尺寸在1-1000nm之間的材料B.三維尺寸均在1-100nm之間的材料C.至少有一維尺寸在1-100nm之間的材料D.三維尺寸均小于1000nm的材料2.納米顆粒的比表面積遠(yuǎn)大于塊體材料，主要是由于（）A.量子尺寸效應(yīng)B.表面效應(yīng)C.小尺寸效應(yīng)D.宏觀量子隧道效應(yīng)3.以下制備方法中，屬于氣相法的是（）A.溶膠-凝膠法B.激光燒蝕法C.水熱合成法D.機(jī)械球磨法4.碳納米管的導(dǎo)電性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，扶手椅型碳納米管表現(xiàn)為（）A.半導(dǎo)體特性B.絕緣體特性C.金屬特性D.超導(dǎo)特性5.利用X射線衍射（XRD）表征納米晶體的晶粒尺寸時(shí)，主要依據(jù)的公式是（）A.布拉格方程B.謝樂公式C.朗伯-比爾定律D.德拜-謝樂公式6.納米材料的光學(xué)帶隙隨顆粒尺寸減小而增大，這一現(xiàn)象主要由（）引起A.表面效應(yīng)B.小尺寸效應(yīng)C.量子尺寸效應(yīng)D.介電限域效應(yīng)7.以下不屬于納米復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制的是（）A.載荷傳遞效應(yīng)B.細(xì)晶強(qiáng)化C.位錯(cuò)釘扎效應(yīng)D.庫侖阻塞效應(yīng)8.制備納米多孔材料時(shí)，常用的模板法中，硬模板通常選用（）A.表面活性劑膠束B.高分子聚合物C.二氧化硅納米球D.生物大分子9.掃描隧道顯微鏡（STM）能夠表征納米材料的（）A.化學(xué)成分B.晶體結(jié)構(gòu)C.表面形貌（原子級(jí)分辨率）D.力學(xué)性能10.納米顆粒的熔點(diǎn)通常比塊體材料低，其主要原因是（）A.表面原子比例增加，結(jié)合能降低B.量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致電子能級(jí)離散C.小尺寸效應(yīng)引起晶格畸變D.宏觀量子隧道效應(yīng)減弱二、填空題（每空1分，共20分）1.納米材料的四大基本效應(yīng)是表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和__________。2.溶膠-凝膠法制備納米材料的關(guān)鍵步驟包括水解、__________和干燥。3.碳納米管按結(jié)構(gòu)可分為單壁碳納米管和__________。4.納米顆粒的比表面積計(jì)算公式為__________（用粒徑d和密度ρ表示）。5.水熱合成法是在__________和高壓條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。6.透射電子顯微鏡（TEM）可用于觀察納米材料的__________和晶格結(jié)構(gòu)。7.納米材料的光催化性能通常與__________和表面活性位點(diǎn)數(shù)量相關(guān)。8.氣相沉積法分為物理氣相沉積（PVD）和__________（CVD）。9.量子點(diǎn)的熒光發(fā)射波長(zhǎng)可通過調(diào)節(jié)其__________來控制。10.機(jī)械球磨法制備納米材料時(shí)，球料比通常控制在__________范圍內(nèi)。11.納米復(fù)合材料中，增強(qiáng)相的尺寸通常小于__________μm。12.納米材料的表面能隨粒徑減小而__________（填“增大”或“減小”）。13.利用原子力顯微鏡（AFM）可測(cè)量納米材料的__________性能（如硬度、彈性模量）。14.納米顆粒的團(tuán)聚主要由__________和范德華力引起。15.納米多孔材料的比表面積可通過__________法（BET法）測(cè)定。16.納米線的長(zhǎng)徑比通常大于__________。17.半導(dǎo)體納米顆粒的激子玻爾半徑計(jì)算公式為__________（用ε、m、e表示）。18.納米材料的熱導(dǎo)率隨晶粒尺寸減小而__________（填“升高”或“降低”）。19.制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒時(shí)，核心與殼層的__________需匹配以避免界面應(yīng)力。20.納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用包括藥物遞送、__________和組織工程。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述納米晶體與普通塊體晶體在結(jié)構(gòu)上的主要差異。2.說明水熱法制備納米材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并舉例說明其典型應(yīng)用。3.解釋納米材料的“小尺寸效應(yīng)”對(duì)光學(xué)性能的影響，并列舉一個(gè)具體實(shí)例。4.列舉三種表征納米材料形貌的常用技術(shù)，并說明各自的分辨率和適用場(chǎng)景。5.分析納米復(fù)合材料中“界面效應(yīng)”的作用機(jī)制及其對(duì)材料性能的影響。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知某球形納米顆粒的粒徑為10nm，密度為5.0g/cm3，計(jì)算其比表面積（結(jié)果保留兩位小數(shù)，π取3.14）。2.某納米TiO?樣品的XRD衍射峰（101晶面）半高寬為0.6°（2θ），測(cè)試用CuKα射線波長(zhǎng)λ=0.154nm，衍射角θ=25°，利用謝樂公式計(jì)算其晶粒尺寸（謝樂公式：D=Kλ/(βcosθ)，K取0.89）。五、論述題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，制備一維氧化鋅（ZnO）納米線，并詳細(xì)說明：（1）實(shí)驗(yàn)原理；（2）主要實(shí)驗(yàn)步驟；（3）需要表征的關(guān)鍵性能及對(duì)應(yīng)的表征技術(shù)；（4）可能遇到的問題及解決方法。參考答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.B6.C7.D8.C9.C10.A二、填空題1.宏觀量子隧道效應(yīng)；2.縮聚；3.多壁碳納米管；4.6/(ρd)；5.高溫；6.微觀形貌；7.禁帶寬度；8.化學(xué)氣相沉積；9.尺寸；10.10:1~20:1；11.1；12.增大；13.力學(xué)；14.靜電力；15.氮?dú)馕剑?6.10；17.a?=ε?2/(me2)；18.降低；19.晶格常數(shù)；20.生物成像。三、簡(jiǎn)答題1.納米晶體與普通塊體晶體的結(jié)構(gòu)差異：-晶粒尺寸：納米晶體晶粒尺寸在1-100nm，塊體晶體通常大于1μm；-界面比例：納米晶體中晶界/相界體積占比可達(dá)50%以上，塊體晶體界面比例極低；-晶格畸變：納米晶體因表面原子配位不飽和，晶格常數(shù)可能偏離標(biāo)準(zhǔn)值（如膨脹或收縮）；-缺陷分布：納米晶體中缺陷（如空位、位錯(cuò)）更易在界面富集，塊體晶體缺陷多分布于晶內(nèi)。2.水熱法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用：-優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)在密閉高壓釜中進(jìn)行，可合成高純度、結(jié)晶性好的納米材料；溫度低于固相反應(yīng)，避免顆粒團(tuán)聚；可調(diào)控產(chǎn)物形貌（如納米線、納米片）。-缺點(diǎn)：設(shè)備要求高（需耐高壓）；反應(yīng)條件（溫度、pH、前驅(qū)體濃度）敏感，工藝優(yōu)化復(fù)雜；批量生產(chǎn)難度大。-典型應(yīng)用：制備TiO?納米光催化劑、ZnO納米線（用于傳感器）。3.小尺寸效應(yīng)對(duì)光學(xué)性能的影響及實(shí)例：-小尺寸效應(yīng)指當(dāng)顆粒尺寸接近或小于光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)等特征長(zhǎng)度時(shí)，材料的光吸收、散射、發(fā)光等性能發(fā)生顯著變化。-影響：例如，納米金屬顆粒的表面等離子體共振（SPR）峰隨粒徑減小發(fā)生藍(lán)移（如金納米顆粒從520nm藍(lán)移至500nm）；半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收邊藍(lán)移（如CdS納米顆粒禁帶寬度隨粒徑減小而增大，吸收波長(zhǎng)變短）。4.三種形貌表征技術(shù)：-掃描電子顯微鏡（SEM）：分辨率約1-10nm，適用于觀察納米材料的表面形貌（如納米顆粒的分散性、納米線的長(zhǎng)度和直徑）；-透射電子顯微鏡（TEM）：分辨率可達(dá)0.1nm，可觀察納米顆粒的晶格條紋（如高分辨TEM）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如核殼結(jié)構(gòu)）；-原子力顯微鏡（AFM）：分辨率為原子級(jí)（橫向0.1nm，縱向0.01nm），適用于測(cè)量納米薄膜的表面粗糙度或軟質(zhì)納米材料（如生物大分子）的形貌。5.界面效應(yīng)的作用機(jī)制及影響：-機(jī)制：納米復(fù)合材料中，增強(qiáng)相（如納米顆粒、納米纖維）與基體間的界面面積大，界面處存在原子擴(kuò)散、化學(xué)鍵合或物理吸附，形成“界面相”；界面相可傳遞載荷、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并影響電子/聲子傳輸。-影響：提高材料強(qiáng)度（如碳納米管增強(qiáng)聚合物的載荷傳遞效應(yīng)）；改善導(dǎo)電/導(dǎo)熱性（如石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面電子傳輸）；但界面結(jié)合過弱可能導(dǎo)致脫粘，降低性能。四、計(jì)算題1.比表面積計(jì)算：?jiǎn)蝹€(gè)顆粒體積V=(4/3)πr3=(4/3)×3.14×(5×10??cm)3≈5.23×10?1?cm3；單個(gè)顆粒質(zhì)量m=ρV=5.0g/cm3×5.23×10?1?cm3≈2.615×10?1?g；單個(gè)顆粒表面積S=4πr2=4×3.14×(5×10??cm)2≈3.14×10?12cm2；比表面積=S/m=3.14×10?12cm2/2.615×10?1?g≈1.20×10?cm2/g=120m2/g（保留兩位小數(shù)為120.00m2/g）。2.晶粒尺寸計(jì)算：β=0.6°轉(zhuǎn)換為弧度：β=0.6×π/180≈0.0105rad；cosθ=cos25°≈0.9063；D=0.89×0.154nm/(0.0105rad×0.9063)≈0.137nm/0.0095≈14.42nm（保留兩位小數(shù)為14.42nm）。五、論述題（示例）實(shí)驗(yàn)方案：水熱法制備一維ZnO納米線（1）實(shí)驗(yàn)原理：利用水熱條件下Zn2+與OH?的反應(yīng)，通過控制溶液pH、溫度和添加劑（如六亞甲基四胺，HMT），誘導(dǎo)ZnO沿c軸方向優(yōu)先生長(zhǎng)，形成一維納米線。HMT水解產(chǎn)生NH3和HCHO，NH3與水反應(yīng)生成OH?，提供弱堿性環(huán)境，抑制ZnO的橫向生長(zhǎng)，促進(jìn)一維結(jié)構(gòu)形成。（2）主要實(shí)驗(yàn)步驟：①前驅(qū)體配制：將0.05MZn(NO?)?·6H?O與0.05MHMT溶于去離子水，磁力攪拌30min至均勻；②基底預(yù)處理：清洗FTO玻璃（導(dǎo)電基底），用O?等離子體處理5min以增加表面親水性；③水熱反應(yīng)：將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，放入基底（傾斜45°），密封后于95℃反應(yīng)6h；④后處理：取出基底，用去離子水沖洗3次，60℃干燥2h，得到ZnO納米線陣列。（3）關(guān)鍵性能表征及技術(shù)：-形貌：SEM觀察納米線的長(zhǎng)度（1-5μm）、直徑（50-100nm）和均勻性；-晶體結(jié)構(gòu)：XRD分析（確認(rèn)wurtzite結(jié)構(gòu)，(002)峰強(qiáng)表明c軸擇優(yōu)取向）；-光學(xué)性能：紫外-可見吸收光譜（測(cè)量禁帶寬度，約3.2eV）；-電學(xué)性能：I-V曲線（測(cè)試納米線的導(dǎo)電性，用于傳感器或太