2012纳米材料与技术期末考试复习

2012年《纳米材料与技术》期末复习

第一章：

一、纳米科学技术的发展历史——

1、1959年12月，美国物理学家费曼在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”，费曼的幻想点燃纳米科技之火。

2、1981年比尼格与罗勒尔发明了看得见原子的扫描隧道显微镜（STM）。 3、1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，实现了人类另一个幻想——直接操纵单个原子。

4、1991年，日本的饭岛澄男教授在电弧法制备C60时，发现氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现了管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米碳纳米管。

5、1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开第二届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术会议，该会议标志纳米科学技术的诞生。

二、纳米科学技术基本概念——

纳米、纳米技术及其分支、纳米科学技术及其分支

第二章：

1、纳米材料的分类：

按功能分为半导体纳米材料、光敏型纳米材料、增强型纳米材料和磁性纳米材料；

按属性分为金属纳米材料、氧化物纳米材料、硫化物纳米材料、碳（硅）化合物纳米材料、氮（磷）等化合物纳米材料、含氧酸盐纳米材料、复合纳米材料。

按形态分为纳米点、纳米线、纳米纤维和纳米块状材料。

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2、纳米材料的四个基本效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。

1）量子尺寸效应与纳米材料性质：

a.导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体；绝缘体氧化物相反。

b.磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关 。

c.比热亦会发生反常变化，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关 。 d.光谱线会产生向短波长方向的移动 。

e.催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。

2)小尺寸效应的主要影响：

a.金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象 （电子平均自由程）动量 b.宽频带强吸收性质（光波波长） c.激子增强吸收现象（激子半径）

d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能） e.超导相向正常相的转变（超导相干长度） f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸） 3)表面效应及其影响：

表面化学反应活性(可参与反应)、催化活性、纳米材料的（不）稳定性、铁磁质的居里温度降低、熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降

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低、纳米材料的超塑性和超延展性、介电材料的高介电常数（界面极化）、吸收光谱的红移现象。

3、纳米材料的特殊的光学性质及其应用：

光学性质：光谱迁移性、光吸收性、发光性、光催化性和非线性光学性质。

应用：红外发射材料、光吸收材料（利用纳米材料对紫外吸收特性，可提高日光灯寿命、防晒油和化妆品、聚合物的防老化；以及红外吸收材料、隐身材料等）、自清洁材料、光催化材料等。

4、纳米材料的特殊的磁学性质：单磁畴结构、超顺磁性和较高的矫顽力、巨磁电阻效应。 5、纳米材料的制备方法 （1）液相法：

种类：沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法、微乳液法

沉淀法：均匀沉淀法、共沉淀法、金属醇盐水解法原理、过程及特点 溶胶－凝胶法：溶胶－凝胶法的过程和原理以及溶胶－凝胶法的干燥技术。

微乳液法：原理及其合成纳米材料的机理 （2）气相法

种类：物理气相沉淀法和化学气相沉积法

物理气相沉淀法：电极溅射法、氢电弧等离子体法、流动液面上真空蒸度法、丝电爆炸技术

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化学气相沉积法：等离子体加强气相化学反应法和激光诱导化学气相沉积法。

（3）一维纳米材料的可控合成技术：气相－ 液相－固相法、层状卷曲机制备法和模板限制合成法。 6、纳米粉体表面改性

1）、引起纳米颗粒团聚的主要原因：

纳米颗粒的表面静电荷引力 、纳米颗粒的高表面能 、纳米颗粒间的范德华力和纳米颗粒的表面的氢键及其化学键作用。 2）、表面改性的方法：物理改性法、机械化学改性法、高能改性法 3）、纳米颗粒的表面改性物：无机氧化物、有机化合物、纳米材料和聚合物

7、纳米分散体系：

纳米分散体系的种类及制备方法：超声分散法和机械分散法 8、碳纳米管

1）碳纳米管的制备方法：电弧法、激光蒸发法、CVD法（基种法、喷淋法、浮动催化法） 2）碳纳米管的结构与形态：

结构：单壁、多壁；根据碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将单壁碳纳米管分为：扶手椅型、锯齿型和螺旋型。

形态：开口型、封口型、竹节型、变径型、螺旋型、海胆型、洋葱型 3）碳纳米管的性能

力学性能：碳纳米管是人类发现的强度最高的纤维

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电学性能：随螺旋矢量（n，m）不同单壁碳纳米管的能隙宽度可以从零（金属）连续变化至1eV（半导体）。

第三章：

1、纳米复合材料的分类：

按用途可分为:结构纳米复合材料、功能纳米复合材料、智能纳米复合材料；

按基体可分为聚合物基纳米复合材料和非聚合物基纳米复合材料。

2、纳米复合材料的稳定化设计：

纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米 粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。 3、纳米复合材料的制备

纳米微粒原位合成法、溶液共混法、聚合物基体原位聚合法、两相同步原位合成法相应例子。

4、蒙脱土/聚合物的制备、性能特性及应用

第四章： 1、纳米陶瓷分类：

1）根据复合材料中纳米相分为单相纳米陶瓷、复相纳米陶瓷；

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相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏；如果是非晶态纳米微粒，其颗粒面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象。

5、库仑阻塞效应—导体中纳米隙小于电子的自由程时，电子会发生隧穿，一旦有一个电子隧穿进入量子点，它所引起的静电能足以阻止随后第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做库仑阻塞效应。

6、纳米电子学—是在纳米尺度范围内研究物质的电子学现象及其运动规律，并以纳米结构物质为基础，构筑量子器件，实现纳米集成电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的建立和信息计算、传输、处理的功能。

7、纳米表面工程－是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化，从而使材料的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。 8、纳米陶瓷—指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。

四、简答题（每题6分，共42分）

1、简述晶粒尺寸对TiO2光催化性能的影响。

粒径对TiO2光催化活性的影响主要表现在：

1）对能带结构的影响：随着粒径的减小，由于量子效应TiO2的导带和价带变为分立的能级，能隙变宽，价带的电位更正，导带的电位更负，光生电子和空穴的能量更高，因而具有更强的氧化－还原能力；

2）对光生载流子的输送和量子产率的影响：随着粒径的减小，光生电子从粒子内部扩散到表面的时间减少，从而光生电子和空穴复合几率越小，这意味光生量子产率增高；

3）对光吸收及TiO2吸附能力的影响：随着粒径的减小，光吸收边界蓝移；另一方面随着粒径的减小，TiO2的比表面积迅速增大，使TiO2具有很强的吸附能力，提高了光催化性能。

2、为什么纳米TiO2会具有较高的光催化活性？

纳米TiO2具有优异光催化活性的主要原因是：

1）、表面效应：根据二氧化钛的光催化原理可知，其氧化还原作用的强弱取

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决于光生电子和空穴的浓度，显然，二氧化钛颗粒尺寸越小，总表面积越大，光吸收率越高，并且电子和空穴移到表面的比率也越大。同时，随着尺寸减小，处于表面的原子很多，比表面积很大，这大大增强了二氧化钛光催化剂吸附反应物的能力，从而增大反应几率。

2）、量子尺寸效应：当二氧化钛粒子的粒径小于某一临界值时，量子尺寸效应变得明显，导带和价带变成分立能级，能隙变宽，价带电位变得更正，，导带电位更负，这实际上增加了光生电子－空穴的氧化－还原能力，提高了二氧化钛光催化活性。

3）、小尺寸效应：二氧化钛粒子的半径越小，光生载流子从体内扩散到表面所需的时间越短，光生电荷的分离效果越高，内部电子和空穴的复合概率就越小，从而导致二氧化钛光催化活性的提高。

3、简述化学气相沉积法制备纳米材料中衬底表面反应物的生长模式。 利用CVD法制备纳米材料时，根据生成物与衬底的表面能和晶格错配度，衬

底表面生成物的生长方式有三种：

（1）当衬底的表面能大于薄膜的表面能，且晶格错配度小于0.2％时，衬底表面反应物以F—K模式的2维平面方式成膜。

（2）随着晶格错配度的增大，此时即使衬底的表面能大于膜的表面能，2维平面生长方式变得不稳定，转化为S－K生长模式，即先生长出几个原子平面，再转为三维岛状生长。

（3）如果衬底的表面能小于可能成膜的表面能，则反应物直接以V—K模式进行岛状。

4、简述氢电弧等离子体法制备纳米材料的工作原理。

氢电弧等离子体法制备纳米材料的原理：电弧等离子体是一种高温电磁流体，具有能量集中，热效率高的特点，在点燃电弧后的很短时间内，金属被熔化；由于弧柱内温度（～104K）很高，粒子碰撞十分频繁，进入弧柱内的气体分子基本被分解为原子或离子状态。电离的氢大量溶解于熔融状态的金属内部，浓度达到过饱和状态，被溶解的氢通过熔融金属的对流等作用而移动，向非电弧区移动而放出。放出时，氢离子合成氢分子而放出大量的反应热，强迫熔融金属蒸发而产生金属纳米粒子，纳米粒子的生成随氢气浓度提高而增大。

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5、简述Cu/聚合物基纳米复合材料作为宫内节育器的优点。

Cu/聚合物基纳米复合材料作为宫内节育器的优点：

1）复合材料的外表绝大部分是由聚合物基体构成的连续相，植入人体后，它与子宫内膜接触的是聚合物基体而不是金属铜，从而解决一般宫内节育器存在的金属铜与子宫内膜接触的问题。

2）具有避孕作用的是可溶的Cu2+，由于纳米铜颗粒的尺寸效应，使之更有效转化为Cu2+；另外，由于表面效应，铜与聚合物基体结合增强，不存在金属铜断裂和脱落而导致宫内节育器提前取出的问题。

3）Cu/聚合物基纳米复合材料与宫腔液接触的是疏水性的聚合物基体，它在宫腔液内腐蚀放出铜离子后，聚合物表面不会变得更粗糙，腐蚀产物的粘附能力仍然非常差，不会节育器表面产生沉积。

6、简述乳液插层法制备粘土/聚合物纳米复合材料原理及其优点

聚合物乳液插层就是将粘土片层分散在水中，形成粘土悬浮液与聚合物乳液混合插层，粘土晶层间距因阳离子的水化作用而增大，聚合物胶粒随即穿插、隔离，粘土片层也对胶粒穿插、隔离，构成悬浮体系中互穿的网络结构，随后加入絮凝剂，得到粘土/聚合物纳米复合材料。

乳液插层具有两个优点：一是水分散体系比溶剂分散体系在插层操作上要方便，没有环境污染；二是利用聚合物乳液进行插层，可规模化生产。

7、采用哪些措施可以提高介孔材料的催化活性？

提高介孔材料的催化活性的有效方法主要有：

1、在介孔材料的骨架中引入三价的金属元素如:Al3+、B3+、Ga3+、Fe3+等，由于同晶取代的作用，使得骨架上带有负电荷，形成具有弱或中强酸催化活性位， 从而提高其催化活性。

2、在介孔材料的骨架中引入具有氧化还原的金属元素如：Ti、Zr、V、Cr、Mo、W、Mn等，即可得到相应的氧化还原催化剂。

3、其他还有采用担载杂多酸、在孔道内固载大分子过渡金属络合物等方法对介孔分子筛进行改性，以制备性能优异的催化剂。

8、简述液相分散包裹法制备纳米陶瓷复合粉体工艺过程。

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液相分散包裹法制备纳米陶瓷复合粉体的主要步骤如下： 1）将纳米粉体分散于含基体组分的溶液中，为充分分散，需使用超声波振

动、分散剂及调节PH值等辅助手段，以达到破坏粉体团聚的目的。

2）通过调节工艺参数，在没有析晶、沉淀、团聚、沉降等造成分散不均匀因素存在下，使体系冻结、凝胶或聚合。

3）经一定热处理而得到均匀分散的复合粉体。

9、根据势阱中的电子能态和充电能来比较各种固体纳米电子器件的特性。

对于RTD或量子线器件，势阱中电子能量分布为 Δε很大的分立能级，

但体积较大，充电能U 很小，故有Δε>>U， Δε起主导作用。当发射极 EF以下的电子与阱中基态能级E0发生共振隧穿时，I－V特性出现一个电流峰，随着电压增大，电子与第一激发态能级E1发生共振隧穿时，I－V特性上出现第二个电流峰，由于 Δε 较大，故二峰间对应的电压偏移较大；

对于SED的情况，三维都达不到量子化的尺度，故Δε较小，但其总体积

远小于常规器件，U较大，故U>> Δε 。电子从发射极必须提供 U的能量才可进入势阱，故 I－V 特性为一台阶状；

对于 QD的情况，三维尺度都为几纳米量级，都发生量子化，故 U 和Δε

都较大，U≈ Δε ，势阱中的能量分布为在U 的基础上能量间隙U与Δε 幅度同量级的能级分布，相应地出现了的大台阶套小台阶的 I－V 特性。

10、简述谐振隧穿二极管的工作原理

谐振隧穿二极管的工作原理：在RTD两端加上适当电压,当入射电子能量等于势阱中束缚态的能量时,电子可以无衰减地通过势垒, 产生谐振隧穿,此时电流会急剧增大,随着外部电压不断增大,电流先达到一个局部最大值,该电流称为峰值电流.当入射电子能量大于势阱中束缚态的能量时,穿过势垒的电子数目大大减小,电流急剧下降,表现为负阻效应,电流会达到一个局部最小值,该电流称为谷值电流,从峰值到谷值这一区间为微分负阻区(NDR)。然后,由于散射和热电子的影响开始加强,并开始起主要作用,电流又随电压逐渐升高.

11、简述树枝状大分子作为基因载体的优势。

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在基因治疗中，树枝状大分子作为基因载体，在介导基因转移方面有以下几个方面的优点：

(1)由于树枝状大分子是合成的载体材料，因此它没有免疫原性，不会引起机体的免疫反应；

(2)与病毒载体不同，树枝状大分子无遗传毒性和细胞毒性，不会导致细胞的转化和死亡；

(3)由于其特殊的结构及表面电荷，树枝状大分子具有很高的基因转染率； (4) 树枝状大分子可介导外源基因在宿主细胞染色体DNA中的整合，从而获得转基因的长期、稳定表达；

(5) 树枝状大分子可保护转导基因不受机体血浆或组织细胞中各种补体以及各种酶的破坏，有利于目的基因在转导进入靶细胞后，能更好、更稳定地发挥作用；

(6) 树枝状大分子本身具有抵抗或杀死某种病毒，包括对HIV病毒的杀灭作用。

12、简述脂质体的分类及其作为药物载体的优点。

根据脂质体的性能和用途可将脂质体分为常规脂质体、长效脂质体、免疫脂质体和阳离子脂质体。

脂质体作为药物载体，具有以下优点：

（1）既可以在其内水相包封水溶性药物,也可以在外层双层膜包封脂溶性药物，甚至在同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；

（2）它和天然生物膜的生物相容性比较好,在药物学应用中,安全性可靠； （3）保护所载药物，防止体液对药物的稀释和被体内酶的分解破坏； （4）脂质体进入体内后主要被网状内皮系统中的吞噬细胞吞噬，使药物集中分布在肝、脾、肺和骨髓等组织器官中，从而提高治疗指数，减少药物的剂量并降低药物的毒性；

（5）脂质体适合口服、静脉注射、眼部给药、肌内注射和皮下注射等多种给药途径。

13、避免纳米药物在体内被MPS快速清除而延长其在体内的循环时间的方法有哪些？

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oel2.html