大学纳米材料复习

1.科学发展史的三个阶段和相关尺度

18世纪中叶，人类跨入了以机械代替人力的机械化工业时代，它的标志尺度是毫米。20世纪以电子技术为代表，它的标志是微米技术的应用。21世纪，以纳米技术为代表的新兴科技，将给人类带来第三次工业。 2.什么是纳米？（纳米粒子(1~ 100 nm）

3.自然界的纳米现象（荷花、观音土、壁虎、徽墨、玻璃、蜘蛛、水黾、沙蜥、蝴蝶、蜜蜂、螃蟹、海蛇尾等）

例如：荷花为什么出污泥而不染？（荷花自净与其表面微观结构有关，其表面分布很多疏水性的突起，使液滴无法浸润，顺着倾斜的表面滑落并带走灰尘） 壁虎飞檐走壁（壁虎的脚底着数百万根极细的刚毛每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛，使得手掌与墙间产生巨大的分子引力） 4.21世纪的三大高科技和三剑客

影响21世纪的三大科技是：信息技术、生物技术和纳米技术。 5.纳米科技的最高境界是什么？ 它的最高境界是直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件。 6.为什么纳米材料产生特殊的性能。

（四大效应）这些具有特殊结构的纳米材料，则会产生包括表面效应、特殊的光学性质、磁性质以及力学性质等和往常材质不同的效应，使得相同的原料可以在加工后产生不同的用途。

8.纳米材料没有副作用吗？（有） 9.什么是DNA芯片？

DNA芯片或称作基因芯片(Gene chips)，实质上是一种高密度的寡聚核苷酸(DNA探针)阵列。 10.纳米科技的科学意义是什么？

纳米技术将实现超高密度的信息存储器、量子光电器件、纳米功能材料、自组装高分子薄膜材料、分子识别型的新药物和传感器，这将对21世纪的信息科学和生命科学产生深远的影响

第二部分

1.纳米材料的发展大致划分为3个阶段（时间和具体工作）

第一阶段(1990年以前)主要是在实验室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。

第二阶段 (1994年前)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。

第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系的研究。

2.纳米结构单元有哪些？如何区分和表达？具体的代表性材料是有哪些？ 纳米结构单元 零维（量子点）：团簇、纳米粒子（金属纳米颗粒） 一维（量子线）：纳米线、纳米管、纳米棒（纳米纤维） 二维（量子肼）：纳米带、超薄膜、多层膜 三维：纳米块体 （纳米孔洞）

3.纳米复合材料的复合方式有哪些？举例

0-0复合：不同成分，不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体 0-1复合：把纳米粒子分散到一维纳米纤维（管）表面 0-2复合：把纳米粒子分散到二维薄膜材料中 0-3复合：把纳米粒子分散到常规的三维固体中

介孔复合体：把纳米粒子填充到介孔材料的介孔之中 4.判断是否具有量子效应是由什么来决定的？

并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子在材料内的费米波长来决定。

5.不同维度的量子材料的态密度-能量的关系图的区分

6.纳米材料的四大效应及相关实例

表面效应：随着粒径减小，表面积急剧变大导致表面原子数迅速增加，表面能迅速增加。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，故具有很大的化学活性。负面问题：易团聚吸附。例子：纳米金属颗粒易自燃。

小尺寸效应：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。例子：纳米金属颜色的变化，特殊的热学性质（金属颗粒的熔点降低Tm/Tb=1-C/D），特殊的磁学性质， 特殊的力学性质（米陶瓷材料却具有良好的韧性）特殊的催化性能和选择性

量子尺寸效应：当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。量子尺寸效应主要影响：导体向绝缘体的转变、吸收光谱的蓝移，波长变宽、纳米材料的磁化率（磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关）纳米颗粒的发光现象

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。扫描隧道显微镜（STM） 7.学会区分不同效应带来的不同现象。

8.纳米颗粒的熔点与其粒径相关计算公式，并说明为什么熔点随粒径减小而快速减小。 Tm/Tb=1-C/D, 其中Tm是粒径为D的纳米颗粒的熔点，Tb是相应块体材料的熔点，C是材料常数，单位是nm。

9.纳米陶瓷刀为什么摔不破？小尺寸效应特殊的力学性质：因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。

10.纳米金为什么具有催化性能？小尺寸效应特殊的催化性能 11.鸽子为什么能找到家？小尺寸效应生物中的超微磁性 12.1纳米的银导电吗？为什么？不导电。当材料尺寸小到一定程度时，能带理论就不适用了。 在纳米颗粒中原子个数是有限的，此时能级之间的间隔就不容忽视，也就是说纳米材料的电子能级是不连续的。

13.为什么微加工技术的磁材料会具有极限尺寸？量子尺寸效应的临界粒径

14.材料的属性分类？ 导体，半导体，绝缘体

导体中存在未满带(由于电子未充满或能带重叠)。

绝缘体的特征是价电子所处能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带。 半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。

第三部分

1．纳米材料的合成方法：化学气相沉积法，液相法----沉淀法（直接沉淀，均匀沉淀，共沉淀）、溶胶-凝胶法、微乳液法和水热合成法，

2．沉淀法的基本类型：直接沉淀，均匀沉淀，共沉淀

3．微乳液法的主要成份：水、有机溶剂、表面活性剂、助表面活性剂 4．试举例说明合成某种材料的具体方法（大题）

5．快速合成方法：模板法分子自组装技术合成纳米材料 6．纳米颗粒团聚的原因：表面效应

第四部分（表征：都有什么成份？XRD、XPS、ICP长得什么样？SEM、TEM什么晶型结构？XRD尺寸？XRD和SEM比表面积？BET）

1．材料成份的表征方法有哪些？原子吸收光谱，原子发射，ICP，XPS，AES

2．材料形貌的表征方法有哪些？光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、 扫描隧道显微镜

3．材料结构的表征方法有哪些？有序介孔材料的特有结构表征方法是什么？X射线衍射结构分析（XRD物相定性分析（点阵形式、晶胞参数）、 物相定量分析 、介孔结构测定（小角XRD）、多层膜分析物质状态鉴别、晶粒大小的测定原理） 4．材料颗粒尺寸的表征方法有哪些？

5．材料的表面积和孔径分布的表征方法是什么？ 6．元素价态的表征方法有哪些？XPS 7．如何根据XRD对物质状态进行判断？

8．STM和AFM是基于纳米材料的何种原理开发的测试技术？宏观量子隧道效应 9．热重分析可以做什么？

10．非破坏性的方法有哪些？原子吸收、原子发射、质谱属于破坏性样品分析方法，X 射线荧光与衍射分析方法可以直接对固体样品进行测定因此又称为非破坏性元素分析方法。

第五部分

1．介孔材料的表征手段有哪些？XRD小角X射线衍射

2．生物医学领域理想的纳米粒应具备哪些性质？(1)具有较高的载药量；(2)具有较高的包封率；(3)有适宜的制备及提纯方法；(4)载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；(5)具有适当的粒径与粒形；(6)具有较长的体内循环时间。

3．纳米药物的优势是什么？纳米药物为什么具有更好的吸收效果？基于纳米材料的何种效应？（ 纳米载体尺寸小纳米载体比表面积高，基质可控制药物释放，可制成靶向定位给药系统，改进了给药途径）表面效应，小尺寸效应

4．大分子和颗粒进入和排出细胞的方式有哪些？胞饮、吞噬、胞吐

5．纳米药物载体的作用有哪些？纳米载体尺寸小纳米载体比表面积高，基质可控制药物释

放，可制成靶向定位给药系统，改进了给药途径

第六部分

TiO2的光催化反应由三个相互关联的过程组成：受能量大于TiO2禁带能量的光子激发，产生电子-空穴对，这是TiO2产生光催化反应的前提条件；光生电子和空穴的有效分离 ； 分离的电子和空穴向TiO2所吸附的物质转移。（图片会解释，反应方程式会写）

第七部分

1.碳纳米管的力学性能是基于什么效应？ 2.碳纳米管的吸波性能是基于什么效应？ 3.碳纳米管为什么具有储氢性能？

第八部分

1. 锂离子电池反应的动力学与哪些因素有关？ 2. 动力学平衡公式平衡时间：teq = L2 / 2D L 是扩散长度,尺寸 D 是扩散系数（常数），

电导率

3. 纳米尺寸材料的优劣优点: 与电解质接触的更高的比表面积 、更短的扩散路径、固相

反应比块体材料发生更容易 缺点: 团聚、制备困难、需要更多的粘合剂（功率密度低）

4. 微米尺寸材料的优劣动力学改善、易操作、好的稳定性、新的储锂机理、动力学、

低的热力学稳定性、低容量、高的表面反应 5. 为什么微纳复合材料具有更好的电化学性能？ 第九部分

1. 燃料电池催化剂的利用率与什么有关？高比表面积，高的电子电导率（金属掺杂） 2. 燃料电池催化剂的选择性与什么有关？

3. 形貌和结构对催化剂的性能有什么影响？为什么有影响？颗粒越小催化活性相对越高 4. 什么样的结构有利于提高催化剂的利用率？核壳结构、合金、纳米孔、高度分散纳米

颗粒等

5. 如何改善催化剂的选择性？ 第十部分

1纳米火药推进剂的作用是基于什么效应？（表面效应，小尺寸效应）

2纳米技术对未来军事影响有哪些？（1实现了武器系统超微化型2未来战争将更加透明3将改变战争的形态4战争的急剧性增大5耗费下降）

利用溶胶凝胶法合成介孔二氧化硅，并对其成分结构形貌进行简要分析。

介孔二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机材料之一，因其比表面积大，吸附性强，热阻电阻等方面具有独特的性能，在众多学科及领域内具有特性，有这不可取代的作用，广泛用于添加剂，催化剂，石油化工，涂料，医药等领域。 制备方法：溶胶凝胶法：正硅酸四乙酸Si(OR)4水解后得到Si(OH)4 ，热分解处理得到 SiO2，然后局部去除溶剂化后形成凝胶，再干燥、热处理得到纳米微粒(直接热处理)或者纳米膜(涂抹在某一基体上再进行热处理)。

表征：都有什么成份？XRD、XPS、ICP长得什么样？SEM、TEM什么晶型结构？XRD尺寸？XRD和SEM比表面积？BET