第一章 纳米材料的基本概念与性质

第一章 纳米材料的基本概念与性质

基本内容

1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性

1.1 纳米材料的基本概念纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数来分类，纳米材料的基本单元可以分为三类： (i)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、 原子团簇等； (ii)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米 棒、纳米管等； (iii)二维，指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、 多层膜、超晶格等。

如果按形状，纳米材料可以分为 原子团簇、纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、

纳米带、纳米片、纳米薄膜、介孔

1.1.1 原子团簇(atomic cluster )定义：仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为 “簇”,它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。

原子团簇的形状可以是多种多样的，它们

尚未形成规整的晶体绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等

当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯)

(富勒烯)

原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物.

一元原子团簇包括金属团簇(加Nan,Nin等)和非 金属团簇.非金属团簇可分为碳簇(如C60,C70 等)和非碳族(如B,P,S,Si簇等).二元原子团簇包括InnPm,AgnSm等。

多元原子团簇有Vn(C6H6)m等.原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学 键结合形成的化合物

C60的结构： C60(富勒烯) 由 60个碳原子排 列而成的32面 体，其中20个 六边形，12个 五边形，其直 径为0.7nm。

幻数：构成碳团簇的原子数 幻数为20,24,28,32,36,50,60,70,90具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。

C60特性 笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多 表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定 具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 制备C60常用的方法： 采用两个石墨碳棒在惰性气体(He,Ar)中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70,C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。

南京大学固体微结构国家实验室(筹)团簇 物理和纳米科学研究组 国家自然科学基金重大项目： “原子团簇的物理和化学”、 “团簇组装纳米结构的量子性质” 杨 团先 簇生 物和 理冯 研先 究生 室访 问

1.1.2纳米微粒定义：微粒尺寸为纳米数量

级，它们的尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般 尺寸为1-l00nm。也有人将

它

称为超微粒子(ultra-fineparticle) 日本名古屋大学上田良二教 授曾经给纳米微粒下了一个 定义：用电子显微镜(TEM)能 看到的微粒称为纳米微粒。

由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等

原因，它具有不同于常规固体的新特性。 用途：吸波隐身材料、

防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、 电池电极材料、

太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、 高韧性陶瓷材料、 人体修复材料和抗癌制剂等。

1.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的 薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或 多层膜

具有特殊的物理性质和化学性质

1.1.4

纳米固体

纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 纳米固体材料(nanostructured materials)的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014~1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。

复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如： 含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高 温材料； 金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。 超微颗粒亦有可能作为渐变(梯度)功能材料的原材 料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接 触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合 体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用 于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、

1.1.5 纳米复合材料

0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体; 0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中; 0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布； 非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。