虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及 超导电性与宏观特性有着显著的不同。
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
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1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
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。
幻数：构成碳团簇的原子数
幻数为20，24，28，32，36，50，60，70的具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。
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
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当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯)
(富勒烯)
及卡拉胶；
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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。
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仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大 的不同，10 个铁原子的团簇在催化氨合成时要比17 个铁原子的团簇效能高出1000倍。
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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-fine particle）
第一章 纳米材料的基本概念与性质 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 1.4 纳米材料的应用
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1.1 纳米材料的基本概念
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m。
“纳米”是英文namometer译名。
另一种说法，“纳米”一词源自拉丁文“NANO”，“矮小” 的意思。
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声 学特性以及化学性能等方面。
1.2.4.表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于 表面的原子占相当大的比例 左边表格列出纳米微粒尺寸与表面 原子数的关系：
A：纳米聚合物基复合材料 B：纳米碳管功能复合材料 C：纳米金属基复合材料 D: 纳米陶瓷基复合材料
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1.1.6 碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝 器件微小化对新型功能材料提出了更高的要求．因此，
20世纪80年代以来，零维的材料取得了很大的进展，但 一维纳米材料的制备与研究仍面临着巨大的挑战。
自从1991年日本NEC公司饭岛等发现纳米碳管以来，立 刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注．
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碳纳米管尺寸 尽管只有头发丝的 十万分之一，但：
导电率是铜的1万倍，
强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。 像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。 熔点是已知材料中最高的。
纳米丝
以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝
用微米级SiO2、Si 和混合粉末为原料，用
碳纳米管覆盖其上作为
模板，以氮气为反应气
物理学分支：
原子、分子物理 表面物理 晶体生长 非晶态
其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大 气微晶等．
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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)．
从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、纳米颗粒、纳 米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。
从特性内涵分析：纳米材料能够体现尺寸效应(小尺寸效应)和量 子尺寸效应。
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纳米尺度
纳米科学与技术
❖ 纳米科学：研究与发现纳米尺度(1~100 nm)材料的新 行为与新性能。
❖ 纳米技术：将纳米尺度的新研究发现应用于实际的方 法和途径。
1.2.3 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的 质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为 小尺寸效应。
对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增 加，从而产生如下一系列新奇的性质。
（1） 特殊的光学性质： （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质： （4） 特殊的力学性质
碳纳米结构
❖ 单层碳纳米结构示意图
• 单壁碳纳米管的STM和TEM图像，以及单壁碳纳米管森林扫描图片
纳米技术的发展——STM、AFM和TEM
❖ 实现了原子层次的观察和操控。
纳米材料的分类
团簇
多达50个单元(原子或者反应性分子)的集合。团簇化合物是指被配 体外壳包围的部分，配体外壳能够隔离分子。
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
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原子团簇研究是多学科的交叉
化学分支包括：
合成化学 化学动力学 晶体化学 结构化学 原子簇化学
原子、大块晶体、和纳米晶的能态
原子
固体能3级5 填充
纳米晶
❖ 微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续 能级变为分立能级，这种现象称为量子尺寸效应。
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这
一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立．对于只有有限个导 电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，这时必须要考
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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。
纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性 能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体 育等领域，该研究方向主要包括：
22ห้องสมุดไป่ตู้
ZrO2多孔纳米固体的制备 多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域应用广泛
把纳米颗粒组装成带有一定孔道结构的块体多孔纳米 材料，则可以得到一种既保留了纳米颗粒的大部分反应活 性又具有相当力学强度的固体材料。
这类材料与通常的多孔材料的主要区别在于： A：其孔道壁表面由高活性的纳米颗粒表面构成，其活性 更高； B：多孔纳米固体的孔道壁由纳米颗粒构成，具有更高的 强度和更好韧性。
Ag polyhedrons
Xia Y., et al. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 21647−21656
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
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。
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Ag nanocubes into concave octahedrons.
Ag octahedrons
AgAgplcautebses
Ag nanocubes into trisoctahedrons
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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5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。
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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
多孔氧化铝
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纳米级第二相粒子沉积镀层举例
(Ni-P)-纳米Si3N4复合层
用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀 液的第二相粒子，通过搅拌使其悬浮在镀液中，用电 刷镀的方法使Ni-P合金与纳米Si3N4微粒共沉积于基 体表面。它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好 等优异的性能。