第三章-几类常见的纳米微粒及其性质

几类常见的纳米材料及其性质以纳米来命名材料是在上世纪80年代它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1nm～100nm范围。在纳米材料发展初期纳米材料是指纳米颗料和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在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它们作为基本单元构成的材料。纳米材料及分类分类方式类别按化学组成分类纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等按材料物性分类纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等按用途分类纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等表1纳米材料的分类纳米材料及分类零维指在空间三维尺度均在纳米尺度一维二维按维数纳米材料及分类指在空间中有二维尺度处于纳米尺度指在空间中有一维处于纳米尺度纳米尺度颗粒、原子团簇纳米丝、纳米棒、纳米管超薄膜、多层膜，孔材料等零维纳米材料零维纳米材料纳米粒子（nano－particle）超微粒子（ultrafineparticle）超微粉（ultrafinepowder）烟粒子（smokeparticle）团簇（cluster）纳米团簇（nano-cluster）它们的尺寸范围稍有区别。纳米材料的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。零维纳米材料纳米粒子量子点纳米TiO2纳米Al2O3纳米粒子巨大的表面积和表面效应体积效应，尺寸诱导相变。特性Kubo认为纳米粒子由于尺寸的减小,将产生两方面的效应:①是表面效应(Surfaceeffect)②是体积效应(Volumeeffect)因此,纳米粒子具有一系列不同于宏观块体的特性。零维纳米材料由于具有量子性也叫量子点，是一种直径在1～100nm之间，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米颗粒。量子点量子点三维团簇——尺寸大小都在纳米量级1～100nm之间人造原子——光、电性质与原子相似、类似原子能级结构库仑电荷效应——有电子(或空穴)的排斥作用Ⅳ族Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族Si量子点InAs量子点ZnTe量子点Ge量子点GaSb量子点CdSe量子点GaN量子点CdS量子点ZnO量子点常见量子点量子点ZnS包裹CdSeQDs在近紫外灯激发下的十种颜色变化.从左至右——由蓝变红激发波长分别在443,473,481,500,518,543,565,587,610,655nm.CdSe量子点的光学特性CurrentOpinioninBiotechnology2002,13:40–46纳米二氧化钛形态相对密度晶格类型晶格常数Ti-O距离/nm禁带宽度/eVac锐钛矿3.84正方晶系5.279.370.1953.2金红石4.22正方晶系9.055.80.1993板钛矿4.13斜方晶系基本物性环保方面的应用卫生保健方面的应用防结雾和自清洁涂层光催化化学合成纳米TiO2的应用光催化剂有机污染物的处理无机污染物的处理1.光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题2.光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2,NOx等室内环境净化环保纳米TiO2的应用卫生保健灭杀细菌和病毒纳米TiO2的应用使致癌细胞失活可以用于生活用水的的杀菌消毒；负载TiO2光催化剂的玻璃、陶瓷等是医院、宾馆、家庭等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛可以起到防结雾的作用TiO2薄膜有机污垢无机污垢CO2H2O防结雾自清洁涂层纳米TiO2的应用在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛在太阳光照射下产生的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁氧化铝是白色晶状粉末，已经证实氧化铝有α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等十一种晶体。不同的制备方法及工艺条件可获得不同结构的纳米氧化铝：χ、β、η和γ型氧化铝，其特点是多孔性、高分散、高活性，属活性氧化铝；另外还有κ、δ、θ型氧化铝；纳米氧化铝•α－Al2O3，其比表面低，具有耐高温的惰性，但不属于活性氧化铝，几乎没有催化活性；•β－Al2O3、γ－Al2O3的比表面较大，孔隙率高、耐热性强，成型性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。•α－Al2O3在自然界中以刚玉形式存在，其硬度约为，仅次于金刚石和碳化硅，利用这个特性可制做钻头砂轮、锉刀和轴承等。纳米氧化铝•用特种工艺制成的高纯纳米氧化铝是一种粒径为～的超细粉体，由于纯度高、颗粒细小且分布均匀，其表面电子结构和晶体结构发生较大的变化，•使纳米化铝具有特殊的表面和界面效应，临界尺寸效应、量子尺寸效应和量子遂道效应等，因而呈现出一系列独特的光、电、热、力学等方面的性质，从而使其具有更优异的特性和广泛的应用前景。纳米氧化铝分类特性材料状态用途用途工程陶瓷高强度致密烧结体叶片、转子、活塞、内衬、喷嘴硬度、强度、韧性致密烧结体切削工具高机械强度粉末研磨膏、模具材料、补强材料热功能耐高温性致密烧结体锥体导弹窗口耐热结构材料、高温炉、高温用坩锅导热性高纯致密烧结体、薄片集成电路基片电子功能绝缘体高纯致密烧结体、薄片集成电路基片、散热性绝离子导体β-氧化铝烧结体缘衬底磁学功能磁流体发电致密烧结体钠硫电池光学功能透光性致密透明烧结体电离气体通道透红外光性热压烧结体高压钠灯管、激光窗口透无线电波致密烧结体导弹窗口、卫星天线窗化学功能传感烧结体化学传感器催化粉体或多孔烧结体化学传感器吸声功能吸声多孔烧结体催化剂、催化剂载体生物功能生物骨替代致密烧结体吸声板核工功能屏蔽射线致密烧结体核反应堆屏蔽材料纳米Al2O3的应用一维纳米材料一维纳米材料准一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度，长度上为宏观尺度的新型材料(如纳米管、纳米棒等)一维的纳米材料NF(nanofibers)由准一维纳米材料发展而来它既是研究其他低维材料的基础，又与纳米电子器件及微型传感器密切相关可能在纳米导线、开关、线路及高性能光导纤维等方面发挥极大的作用1970年法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。1985年Kroto，Smalley等发现了C601991年日本饭岛澄男用高分辨电子显微镜发现了碳纳米管碳纳米管标志着碳家族增加了两种新的同素异形体：富勒烯(Fullerene)C60和纳米碳管。一般认为碳有三种同素异形体：金刚石、石墨和无定形碳(A)椅形单壁碳纳米管(B)Z形单壁碳纳米管(C)手性单壁碳纳米管•碳纳米管结构示意图(D)螺旋状碳纳米管，(E)多壁碳纳米管截面图碳纳米管的结构单壁碳纳米管多壁碳纳米管单层碳纳米管在照相机闪光灯的照射下燃烧碳纳米管透射电子显微镜纳米突透射电子显微镜碳纳米管的性质像头发一样的单层碳纳米管纳米碳管中注入有富勒烯的原型碳纳米管作骨架制作的立体结构图碳纳米管花瓣直径约80μm的“雏菊”碳纳米管的特性力学性能电磁性能光学性能热学性能其它极高的强度、韧性和弹性模量弹性模量可达1Tpa增强体可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，碳纳米管的特性力学性能电磁性能碳纳米管可能是导体，也可能是半导体大约有1/3是金属导电性的，而2/3是半导体性的。导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角扶手椅方向(armchair)和锯齿面方向(zig)碳纳米管轴向磁感应系数是径向的111倍，超出C60近30倍。光学性能单壁碳纳米管的发光强度随发射电流的增大而增强。多壁碳纳米管的发光位置主要限制在面对着电极的部分，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，能以新的频谱发射光波，还能发射与原来频谱完全相同的光波单壁管膜的光吸收随压力的增大而减弱，其原因主要是压力的变化能够导致管的对称性的变化。多壁碳纳米管层与层之间的振动耦合很弱，每一层可以单独考虑并具有理想的二维声子结构热学性能热导率在120K以下与温度成平方关系，120K以上趋于线性。热扩散率在120K以下为线性，而120K以上趋于不变。从热导率和热扩散率这两个全温区非线性的物理量推出的比热容在整个测量温区表现出良好的线性碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷，使其局部区域呈现异质结特性。其它——整流效应不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应，有近乎理想的整流效应纳米碳管的应用若用CNT代替碳黑场致发射材料场致发射显示器纳米碳管的应用CNT代替碳黑添加量只需0.01%～0.004%已用于汽车工业可以用于制造飞机机翼的抗静电罩代替目前采用的ITO导电玻璃，以克服ITO的脆性和与塑料难粘附的缺点。场致发射材料它作为电子枪时比Si和W更优越多壁碳纳米管(MWNT)场致发射源的亮度可比现有的电子源高30倍纳米碳管的应用场致发射显示器与液晶显示器相比低功耗低电压薄型化平板化能在恶劣条件下工作纳米碳管的应用目前存在的主要问题合成的碳纳米管纯度不高、均匀性差溶解性差化学选择性差未知的毒性功能化的方法可以解决除碳纳米管之外一维纳米材料包括人们熟知的纳米棒、金属(如上所述)及半导体纳米线、同轴纳米电缆、纳米带等。非碳纳米管纳米管BN、MoS2、WS2纳米棒SiC、Si3N4纳米丝Si、SiO2、SiC纳米带ZnO、In2O3、CdO、PbO纳米电缆SiC材料直径/nm长度/μmWS2(多壁)纳米管155WS2(单壁)纳米管15～750.2Bi纳米管50.5～5V2O5纳米管60～801～2钛酸盐纳米管20～400.5～3CdS纳米管10060BN纳米管0.5～55CdSe纳米管45～602GaN纳米管80～1004几种常见一维非碳纳米管类型目前报道的非碳纳米管有几十种，相关文章有上千篇！硫族化物WS2,MoS2,TiS2,ZnS,NiS,CuS,WSe2,MoSe2,NbSe2,CdSe……氧化物V2O5,Al2O3,TiO2,ZnO,(Er,Tm,Yb,Lu)oxide,SiO2,MoO3,RuO2……多相金属掺杂PbNbnS2n+1,Mo1-xWS2,Nb-WS2,WS2-CNTs,Au-MoS2,Ag-WS2,Ag-MoS2,Cu5.5FeS6.5……金属Au,Ag,Co,Fe,Cu,Ni……硼基和硅基BN,BCN,Si卤化物NiCl2,WO2Cl2Fe2O3GaNZnOGa2O315o现已合成的非碳一维纳米线一维WS2纳米线应用于AFM针尖传统针尖：微米级WS2针尖：纳米级Au、Ag等贵金属纳米线具有优异的电学性能，可用于制作纳米电路器件;W、Mo等难熔金属纳米线具有出色的场发射性能，可作为场发射电子器件。一维金属纳米材料集合了一维纳米材料及金属本身的特性具备优异的物理和化学性能纳米电子器件方面具有很大的应用潜力纳米金纳米金的SEM图片纳米金直径0.6nm、金丝呈螺旋状结构，是由3到4股相同螺旋的原子链密堆地绕在一起的(图中A1和A2)直径1.6nm时，纳米丝的结构转为多层壁的圆柱状(A4—A6)0.5—3.0nm的纳米金丝复合纳米金双分子纳米金聚集在多数TiO2(右下)表面的电镜图片(左下)和示意图(左上)形成了Au/TiO2Au/TiO2的核-壳结构可设计使其等离激元共振吸收峰的位置位于光谱的近红外区金纳米壳球体这一独特的光学性质，体现其人工设计的可控性，在药物缓释、免疫分析、癌症治疗和成像以及生物传感等很多领域①多呈杂乱无规分布，相互之间缠绕严重，难以分散;一维非碳纳米结构材料的不足与建议②制得的产品中还含有很多其他杂质颗粒③目前制备的样品的长度只有几十微米，检测条件苛刻④积极推进一维非碳纳米结构在信息、能源、环境、航空、医药卫生等①建立一维非碳纳米结构制备及其成核生长动力学模型;②大力发展其设计、优化组合及自组装等前沿技术;③重视一维非碳纳米结构与纳米器件之间的相关性;不足建议二维纳米材料二维纳米材料是指在空间中有一维处于纳米尺