纳米效应.ppt

N A N O N A N O 主讲:何川纳米尺度: 纳米尺度是指 1~ 100 纳米的空间范围,这正是分子尺寸,也是分子相互作用的空间。 What is nano ? 纳米材料: 广义地说, 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围( ~100nm ) 或由他们作为基本单元构成的材料。纳米: (符号为 nm )是长度计量单位, 1 1纳米纳米 = 10 = 10 -9 -9米米。相当于 4倍原子大小,比单个细菌的长度还要小。高清晰 STM 下的碳纳米管照片在纳米尺度上科学家们观察到纳米粒子在化学和物理性质上出现奇异的特性。 How special it is ? 特殊的光学性质特殊的电学性质特殊的力学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的化学性质(1)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于 10 纳米量级时尤为显著。在空气中纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用该特性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。物质名称常规尺寸下的熔点纳米尺度下的熔点 Au1064 ℃327 ℃ Ag900 ℃100 ℃ Cu327 ℃39℃熔点\K (2)特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬 3~5倍。纳米 Ni 的硬度与粒径的关系碳纳米管有很大的强度和很好的柔性(3)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上, 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于 l%,大约几微米的厚度就能完全消光。与块体材料相比,由于量子效应引起的能带间隙变宽, 纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象。(4)特殊的磁学性质纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,这时磁化率不再符合居里-外斯定律。纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。超微颗粒磁性与大块材料显著的不同,大块的纯铁矫顽力约为 80 安/米,而当颗粒尺寸减小到 2× 10 -2微米以下时,其矫顽力可增加 1千倍,若进一步减小其尺寸,大约小于 6× 10 -3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。 Fe 纳米微粒矫顽力和粒径关系 Why is it special ? 结构决定性质!性质决定现象! 纳米效应纳米效应表面效应宏观量子隧道效应小尺寸效应量子尺寸效应纳米微粒尺寸包含原子总数表面原子比例 10 nm 3× 10 4 20% 4 nm 4× 10 3 40% 2 nm × 10 2 88% 1 nm 30 99% 粒子直径减少到纳米级,表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加, 表面活性高而引起粒子性质上的变化。一、表面效应→→→粒子半径/nm 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比, 其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大。处于表面的原子数增多,使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能出现很大的不同:表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质, 易与其它原子相结合, 具有很大的化学活性。纳米颗粒比表面积示意图