纳米大科学专题培训市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

纳米科学与纳米技术1纳米世界里大科学纳米科学与技术简称纳米科技，是一项新兴科学研究，纳米科技值得一搏，但不是每个参入者都有把握赌赢。1.1人类对自然界结识人类对自然世界结识始于宏观物体又溯源于原子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏进一步细致研究。客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。在宏观领域和微观领域之间，存在着一片有待开拓介观领域，也称为中档尺度领域。纳米微粒是自然界物质结构一个层次，它尺度不小于原子簇，普通在1～100nm之间。纳米微粒属于原子簇与宏观物体交界过渡区域。从微观或宏观看，这种系统既非典型微观系统亦非典型宏观系统。这个领域包含了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸范围，介观领域中出现了许多奇异崭新物理、化学特性，成为当今凝聚态物理学热点。凡是出现量子相干现象体系统称为介观体系，包含团簇、纳米体系和亚微米体系。因为纳米体系和团簇特殊物理性质，又是介观领域研究重点。1.2纳米科学与技术研究尺度纳米尺度范围普通从形式上界定为1～100nm左右，但并非严格科学界定，应依据不同研究领域，依据纳米尺度范围内物理、化学等特性确定。原子是组成物质基本单位，原子不同方式排列使自然界多姿多彩。1959年，美国物理学家理查德·费曼构想，在原子和分子水平上操纵和控制物质。纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅含几十个到几万个原子纳米微粒，把它作为基本单元，适当排列成一维量子线、二维量子面、三维纳米固体。纳米固体有普通晶体材料和非晶体材料都不具备优良特性，它出现使凝聚态物理理论受到了挑战。纳米科技是当代科学和先进技术结合产物，它不但为人类提供新奇装置，并且在物理学、化学、生物学、材料学、矿物学等领域中有辽阔前景，对于基础科学、应用科学研究来说都有主要意义。1.3纳米科学与技术未来微米科技在二十世纪七十年代以来信息科学中占有中心地位，新兴纳米科技在新21世纪信息科学中将起革命性作用。纳米材料，将是21世纪新兴材料科学和技术发展一个新方向。大量研究证实，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、多元配合物合成等，都是与纳米尺度密切相关研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行再进一步研究，也许会有新发觉与新突破。新兴纳米科学和技术发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究新领域。纳米微粒结构研究，将促使物理学、化学、材料科学、矿物学工作者结识改造客观世界进入一个新层次，将使自然科学和技术等向更高层次发展。1.4纳米物质结构纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是由两种组元组成：一是含有纳米尺度颗粒，称为“颗粒组元”，它由颗粒中全部原子组成；一是这些颗粒之间分界面，称为“界面组元”。纳米固体颗粒极小，界面组元所占比重显著增大。纳米微粒直径为5nm时，界面组元体积将占全部体积50％左右。纳米固体中二分之一左右原子是分布在界面内，这么大量纳米微粒又使得纳米固体每立方厘米体积内就存在有1019个不同界面结构，纳米固体中界面组元就是全部这些界面结构组合，且全部界面原子间距又各不同。因此，这些界面平均结果将造成各种可能原子间距取值在界面组元均匀分布。界面组元内原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态。因为纳米微粒物相不同，纳米固体可分为纳米晶体和纳米非晶体。纳米微粒含有长程有序晶态结构或短程有序非晶态结构，而微粒间分界面是既没有长程有序也没有短程有序无序结构。这种结构特点是：有序部分尺寸极小，普通为5～15nm，含有分子极少(约几百个分子)，界面部分占总体积百分比很大(约50％)，缺点结构极多(大于70％)。纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料基本特性是，小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料等展现出许多奇异物理、化学性质。纳米固体主要特性受4个方面影响：1）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长、传导电子德布罗意波长以及超导态相干长度或透射深度等物理特性尺寸相称或更小时，周期性边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特性均会出现新小尺寸效应。2）表面与界面效应纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面原子占相称大百分比，见表。表纳米微粒尺寸与表面原子数关系纳米微粒尺寸/nm包括总原子数表面原子所占百分比/％103×1042044×1034022.5×1028013099*如粒径为4nm微粒，包括4000个原子，表面原子占40％；*粒径为1nm微粒，包括30个原子，表面原子占99％。伴随粒径减小，表面原子所占百分比快速增大，这是由于粒径小，表面原子增多所致。*比如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g；*粒径为5nm时，比表面积为180m2／g；*粒径下降到2nm，比表面积增至450m2／g。这样高百分比比表面积，使处于表面原子数越来