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8.5综合与实践纳米材料的奇异特性1、填空题1)扫描探针显微镜（SPM）两大主体技术包括____STM________和ATM。2)磁带中的磁记录粉利用了磁性纳米颗粒的___宏观量子隧道效应_________特性。3)1997年，美国科学家利用量子隧穿效应和___库仑堵塞______首次成功地实现了单电子移动单电子。4)界面原子的扩散速率___大于_________应变速率时，利于陶瓷材料超塑性的产生。5)冷冻干燥法、喷雾干燥法都属于纳米材料液相制备法中的__喷雾法_________。6)显微镜法可以对纳米材料的粒度和___粒度分布_________进行评估。7)纳米粉末在较低温度下就能实现高致密性烧结，主要源于其压制成块体材料后具有高的____致密度________。8)体系内富有油，水相以均匀的小珠滴形式分散于连续相中，形成__油包水______微乳液。9)引起纳米固体材料红外吸收带宽化、红移或者蓝移的因素有尺寸分布效应和__介电限域效应__________。10)古代铜镜的防锈层采用的是__纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜__________。11)居里温度是铁磁体转变为____顺磁体________时的温度。12)在粒径分析法中，_X射线衍射线线宽__的测试结果为一次颗粒的粒径，且具有代表性。2、选择题(多选、至少有一个正确答案)1)纳米带属于____B________纳米材料。A、零维B、一维C、二维D、三维2)采用了沉淀剂缓释技术的是_____B_______。A、共沉淀B、均相沉淀C、直接沉淀D、凝胶网络共沉淀3)下面_____C_______所测结果为纳米材料比表面。A、显微镜法B、动态光散射法C、BET法D、X射线衍射线线宽法4)下列可以作为合成碳纳米管模板的材料最可能是：BA、三氧化二铝B、二氧化硅C、碳酸钙D、草酸钠5）最简便的方法合成颗粒均一的纳米二氧化硅粉末，应该选择下列那种原料？AA、SiCB、硅酸钠C、二氧化硅D、硅烷6）最简便的方法合成纳米氧化钙粉末，应该选择下列那种原料？BA、碳酸钙B、氯化钙C、硅烷D、氧化钙、7）用模板技术合成二氧化钛纳米管，选择下列原料中的：DA、二氧化钛B、TiOSO4C、H2TiO3D、钛酸脂类8）测定合成产物是否为目标晶体结构的纳米材料，应该选择下列测试技术的：AA、AFMB、FTIRC、SEMD、XRD9）表征纳米材料颗粒粒径，选择下列测试技术中的：CA、DSCB、SEMC、XRDD、FTIR10）表征纳米材料聚集状态，可以选择下列测试技术中的：CA、TEMB、FTIRC、SEMD、XRD3、简答题、简述题1)为什么扫描探针显微镜被称为纳米科技的“眼”和“手”？2)纳米微粒表面改性的方法有哪些？①化学修饰方法化学偶联法酯化反应法表面接枝技术②物理修饰方法物理包敷法机械球磨法3）纳米结构与纳米材料有什么区别与联系？纳米结构：是指以纳米尺度的物质单元为基元。按一定的规律排列，形成一维的、二维的及三维的阵列，这种结构体系就称为“纳米结构”。纳米结构物质的主体可能是非纳米结构的。纳米材料，通常是指构成物质的“单元”的三维尺寸中至少有一维是纳米级的；也就是有一维尺寸的0.1－100nm，10-10－10-7m之间的材料。4）如果合成纳米Al2O3粉末，将选用哪种合成技术？如何合成纳米Al2O3膜？溶胶凝胶法，用Al（Ac）3作前躯体，乙二醇甲醚和无水乙醇（EtOH）作为溶剂，乙醇胺（DEA）作为稳定剂：①将一定量的Al（Ac）3溶解在乙二醇甲醚和无水乙醇混合溶剂中，加入和Al（Ac）3等摩尔量的乙醇胺（DEA）和少量的甲酰胺（CH3NO）充分搅拌后，形成透明均匀的溶胺。②采用载玻片作为底衬材料，在涂膜前分别用重铬酸钾洗液，去离子水，乙醇和丙酮在超声波中清洗。③采用旋涂法进行涂膜，涂抹速率3000r/s旋转时间为30s，涂膜结束后立即放入恒温箱中干燥10min，然后进行多次涂膜，反复进行到所需厚度。④放入马弗炉中，在600oC进行热处理1h。5）什么是超导临界温度？何谓巨磁电阻效应？超导体从正常态转变为超导态时的温度。6）纳米材料与常规尺寸材料物理化学性质有那些主要区别？①力学性能超塑性、强度与硬度，纳米材料的塑性，韧性也都高于常规材料②热学性能热容，热膨胀，热稳定③光学性能紫外，可见光及红外吸收可见荧光④磁特性超顺磁性巨磁电阻效应⑤电学性能纳米材料粒径小于某一临界值，电阻温度系数可能由正变负。7）如果以碱式碳酸铜为原料，合成纳米铜粉，请说明用什么方法？简述原理，说明理由。8）如果以碱式碳酸铜为原料，合成纳米氧化铜粉末，请说明用什么方法？简述原理。9）合成Al掺杂纳米二氧化硅，应选择什么方法？简述合成原料及化学原理。10）合成硅掺杂碳纳米管，应选择什么方法较为合适？简述合成原料及化学原理。4、综合练习举实例介绍下列纳米材料常用合成技术的化学原理、合成哪些类型（形貌、化学组成）的纳米材料、有何优缺点等。1）溶胶-凝胶（sol-gel）法由盐水解制得高浓度的溶液，然后局部去除溶剂化后形成凝胶，再干燥、热处理得到纳米微料或者纳米膜2）化学气相沉积法(CVD)3）超声波化学沉淀法在非溶液及非水溶液中能形成沉淀的所有类型的化合物4）固相化学反应法在较高温度下条件下的固相化学反应5）热化学沉淀法6）热化学分解法：Zn（NO3）2固体在300oC－500oC下分解，可得到纳米ZnO粉体，可合成氧化物，金属、非金属单质，复合氧化物合金。7）高能球磨法8）模板技术、分子自组装技术5、指出下列英文或者缩写的中文意义、中文的英文含义1）Nano-Structure：纳米结构；2）Nano-ST：纳米技术；3）sol-gel：溶胶凝胶法；4）CVD：气相化学沉积法；5）intercalate/insert：嵌入；6）AFM：原子力显微镜；7）SEM：扫描电镜法；8）TEM：透射电镜法；9）XRD：X射线衍射法；10）HRTEM：高分辨率投射电镜；11）XPS：多孔聚苯乙烯；12）STM：扫描隧道显微镜；13）HEBM：高能球磨；14）FTIR：红外光谱分析；15）EDS：电子器件协会；16）模板材料：Template--basedsyntheslsofmatencal；17）纳米膜：nanolayer；18）掺杂：dope；19）接枝：Graft；20）修饰：modified；21）缺陷：deffect；22）纳米材料：Nanomaterials；23）燃烧合成：Combustionsynthesis；24）碳纳米管：carbonnanotubes；25）纳米自组装膜：Nanoselfassembled；26）原子团族：Atomicllusters；27）表面与界面效应：surfaceandinteface；28）小尺寸效应：Smallsizeeffect；29）超分子体系：supermolecularsystems；30）隧穿效应：tunnelingeffect。7、名词解释及原理、补充内容1）纳米材料(nanomaterial)：纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。2）纳米粒子(nanoparticle)：纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米材料的奇异特性:1）表面效应：粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。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而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。2）小尺寸效应：指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。3）体积效应：指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。4）宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（MacroscopicQuantumTunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。纳米材料的分类1）纳米颗粒型材料：应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料。2)纳米固体材料：纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。3）纳米膜材料：颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜，通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材，在基片上生成复合膜，当两组份的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜，因此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态，从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜，改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体。4、纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。二、纳米材料的研究历史从20世纪70年代纳米颗粒材料问世，80年代中期实验室合成纳米块体材料，到现在有20多年的历史，从研究内涵和特点大致可分三个阶段：1、第一阶段（1990年以前）探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。2、第二阶段（1994年以前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。3、第三阶段（1994年以后）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。第三阶段的研究对象主要是：纳米丝、管、微孔等。三、纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法——物理方法1、真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。2、物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3、机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。能制备所有金属单质，金属合金，非金属，氧化物，有机固体，金属/非金属/有机/无机/高分子等的复合材料及前驱体材料等，此外还可以进行纳米材料的包敷改性纳米材料的制备方法——化学方法1、气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。含有C源的气体激活（前驱物），在极低的气体压强下，使C原子在一定的区域沉淀下来，C原子在凝聚沉淀过程中形成C60，金刚石，碳纳米等。金刚石在硅片上生长，然后再除去硅，得到金刚石薄膜，金属，非金属单质，氧化物多元金属，非金属合金或氧化物。2、沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热