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基本原理卷5

第1章 纳米粒子的基本性质和测量方法5

1.1 纳米粒子的尺寸效应和性质5

1.1.1 纳米粒子的定义5

1.1.2 纳米粒子的特征5

1.1.3 纳米粒子尺寸的评价5

1.1.4 纳米粒子的性质和尺寸效应6

1.1.5 粒子的存在条件及其性质10

1.2 粒子尺寸10

1.2.1 纳米尺寸的定义10

1.2.2 测量方法11

1.2.3 测量的关键——用于校准的参考粒子11

1.3 粒子形状12

1.3.1 二维粒子投影图像12

1.3.2 三维粒子图像12

1.3.3 采用粒子直径比的粒子形状指标12

1.3.4 基于分形维数的粒子形状表征13

1.3.5 基于傅里叶分析的粒子形状分析14

1.3.6 纳米粒子的粒子形状分析14

1.4 粒子密度14

1.4.1 由纳米粒子构成的粉末的密度测量14

1.4.2 单个粒子的密度测量15

1.5 熔点、表面张力、润湿性18

1.5.1 熔点18

1.5.2 表面张力18

1.5.3 润湿性19

1.6 比表面积和孔20

1.7 复合结构23

1.7.1 纳米粒子的复合结构23

1.7.2 基于电子显微镜的复合结构评价方法24

1.7.3 多种纳米复合粒子的微观结构评价25

1.8 晶体结构28

1.8.1 氧化锆晶相的粒子尺寸依赖性28

1.8.2 铁电物质的晶相及尺寸效应30

1.9 表面特征32

1.10 机械性能36

1.11 电学性能38

1.11.1 简介38

1.11.2 介电性能的全新表征方法39

1.11.3 LST关系39

1.11.4 纳米粒子介电常数的测量40

1.12 磁学性能42

1.12.1 磁性的分类42

1.12.2 金属材料的磁性43

1.12.3 氧化物材料的磁性43

1.12.4 纳米尺度材料的磁学特征44

1.13 纳米粒子的光学性能45

1.13.1 纳米粒子的能带结构45

1.13.2 纳米粒子光学性质的测量方法47

第2章 纳米粒子的结构控制51

2.1 纳米粒子的结构构建和功能匹配51

2.1.1 纳米粒子的结构51

2.1.2 空心粒子52

2.1.3 核壳结构粒子52

2.1.4 简单的无机纳米粒子54

2.1.5 简单的有机纳米粒子54

2.1.6 小结55

2.2 粒子的尺寸56

2.2.1 气相法56

2.2.2 液相法58

2.2.3 超临界水热法61

2.2.4 固相法65

2.2.5 研磨法69

2.3 粒子的形态71

2.3.1 气相加工71

2.3.2 液相法76

2.4 复合结构79

2.4.1 气相法79

2.4.2 溶液方法84

2.4.3 超临界法87

2.4.4 机械加工91

2.5 孔结构94

2.5.1 气相法94

2.5.2 液相合成100

2.6 用于DDS的纳米粒子设计105

2.6.1 基于纳米粒子的药物传输105

2.6.2 纳米级药物载体的设计106

2.6.3 用于DDS的纳米粒子表面和应用设计108

2.6.4 制药学的纳米技术109

2.7 纳米管（碳纳米管CNT）109

2.7.1 弧放电法制备的MWNT（多壁碳纳米管）110

2.7.2 弧放电法制备的SWNT（单壁碳纳米管）110

第3章 纳米粒子及其分散系统的特征和行为110

3.1 纳米粒子分散和团聚行为介绍115

3.1.1 纳米粒子间表面相互作用115

3.1.2 基于DLVO（质凝聚）理论的纳米粒子分散控制的难点115

3.1.3 纳米粒子分散中的难点，基于粒子直径和固相率对粒子表面距离的影响进行的讨论116

3.1.4 纳米粒子的表面分子级结构［3］117

3.1.5 控制纳米粒子分散行为的基本方法118

3.2 单个纳米粒子在液体中的运动119

3.2.1 单粒子运动119

3.2.2 电泳现象121

3.3 布朗扩散126

3.4 纳米粒子表面的吸附性和润湿性127

3.5 粒子间的相互作用129

3.5.1 气体重的粒子相互作用及黏着控制129

3.5.2 液体中粒子间相互作用的控制139

3.5.3 粒子间相互作用的表征技术146

3.6 团聚和分散、特征和控制157

3.6.1 气相中的团聚和分散157

3.6.2 液相159

3.6.3 有机溶剂和聚合树脂中的分散163

3.7 泥浆的流变学165

3.7.1 悬浮液流变学的基本原理165

3.7.2 纳米粒子分散悬浮液的流变学性质168

3.8 胶体分散系统的模拟仿真169

3.8.1 模拟方法的空间-时间图谱170

3.8.2 纳观／介观尺度的模拟方法172

3.8.3 包含流体动力学相互作用的最新仿真方法174

3.8.4 结束语175

第4章 材料纳米结构的控制179

4.1 纳米粒子组装及其功能化179

4.2 纳米粒子排列结构179

4.2.1 光子分形179

4.2.2 基于纳米生物技术的纳米粒子成型：肽182

4.2.3 基于液态加工方法：电泳制备的陶瓷薄膜187

4.3 纳米孔结构190

4.3.1 多微孔材料：沸石190

4.3.2 基于干法工艺制备的纳米孔材料194

4.3.3 有序多孔结构196

4.3.4 纳米孔材料（二氧化钛纳米管）199

4.4 纳米复合材料结构203

4.4.1 催化剂微结构203

4.4.2 渗透结构206

4.4.3 基体填充物取向的结构210

4.4.4 原位粒子的聚合213

4.4.5 ECAP216

4.4.6 合金的纳米结构控制220

4.5 烧结和黏合而成的纳米粒子集团的结构控制222

4.5.1 纳米粒子的烧结222

4.5.2 低温共烧制陶技术（LTCC）226

4.5.3 结合界面的纳米结构控制230

4.5.4 搅拌摩擦焊法（FSW）链接233

4.5.5 研究晶体层纳米结构及其应用的汽胶沉积法236

4.5.6 纳米粒子烧结过程中粒子生长的控制242

4.5.7 通过胶体成型技术制作纳米陶瓷246

4.6 自组装250

4.6.1 纳米粒子自组织250

4.6.2 粒子组装和制造256

4.6.3 有机／无机介孔材料的制造262

第5章 纳米结构材料的表征方法269

5.1 纳米结构和功能（局部纳米结构的表征）269

5.2 晶体结构270

5.2.1 X射线衍射法270

5.2.2 小角度X射线散射272

5.2.3 中子衍射274

5.2.4 雷曼散射277

5.3 表面结构279

5.3.1 原子力显微镜AFM279

5.3.2 扫描隧道显微镜STM284

5.3.3 傅里叶变换红外光谱FT-IR287

5.3.4 光电子能谱XPS290

5.3.5 润湿性294

5.4 纳米孔的表征297

5.4.1 氮气吸附等温线的种类及其孔特征表征298

5.4.2 微孔填充现象和颗粒粒径分布（PSD）分析298

5.4.3 毛细凝聚现象和颗粒粒径分布（PSD）分析299

5.4.4 其他方法302

5.5 晶粒边界和表面303

5.5.1 透射电子显微镜（TEM）的重要性303

5.5.2 分析型透射电子显微镜（TEM）（AEM）306

5.5.3 电子断层成像技术（3D-ET）310

5.6 氧化物异质结构的评价方法312

第6章 纳米结构体性质的评价方法319

6.1 纳米结构的功能及其特征评价319

6.1.1 什么是纳米结构319

6.1.2 示例：纳米结构功能是如何形成的320

6.1.3 功能和特征评价322

6.2 机械性质324

6.2.1 强度、断裂韧性和疲劳性能324

6.2.2 弹性系数：硬度326

6.2.3 蠕变／超塑性329

6.2.4 摩擦学特性332

6.2.5 纳米压痕335

6.3 热物理学性质336

6.3.1 热量传递和存储方面的热物理学性质336

6.3.2 基于正面加热／正面检测的皮秒热反射法338

6.3.3 基于背面加热／正面检测的皮秒热反射法339

6.3.4 纳秒热反射法341

6.3.5 薄膜热物理性能参考物质及其可追溯性341

6.3.6 小结342

6.4 电学性质344

6.4.1 介电性质344

6.4.2 导电性质349

6.4.3 热电性质354

6.5 电化学性质358

6.5.1 电极反应358

6.5.2 传感器的特点362

6.5.3 电化学反应366

6.6 磁学性质370

6.6.1 超顺磁370

6.6.2 针对具体材料的讨论370

6.7 光学性质372

6.7.1 纳米粒子的透明度372

6.7.2 光子晶体375

6.8 催化性质377

6.9 气体渗透和分离膜特性380

第7章 纳米粒子的环境和安全问题387

7.1 简介387

7.2 纳米粒子与环境387

7.2.1 大气环境中的纳米粒子387

7.2.2 地下水环境与纳米粒子389

7.2.3 废气中的纳米粒子390

7.2.4 废水中的纳米粒子392

7.2.5 室内环境与纳米粒子393

7.2.6 工业加工与纳米粒子396

7.3 纳米粒子的安全性400

7.3.1 纳米粒子带来的问题400

7.3.2 纳米粒子对健康的影响401

7.3.3 纳米粒子的安全评价406

7.4 纳米粒子的去除410

7.4.1 纳米粒子的去除原理410

7.4.2 去除悬浮在气体中的纳米粒子410

7.4.3 去除液体中的纳米粒子413

应用卷423

1 基于烷氧基硅烷的微细二氧化硅粒子的分散及其工业化423

1．溶胶423

2．分子设计423

3．不熔塑料：环氧树脂混合物425

4．硬树脂：酚醛树脂系统混合物426

5．软硅混合物：聚氨酯系统混合物426

6．替代酰亚胺的廉价工程塑料：酰胺混合系统426

7．酰亚胺在非电解镀层中的应用：酰亚胺混合物427

2 活性等离子电弧蒸发法制造金属纳米粒子428

1．活性等粒子电弧蒸发法概述428

2．采用活性等粒子电弧蒸发法制备的纳米粒子429

3．纳米粒子的产生率、特征和形状429

4．纳米粒子的应用430

3 基于金属纳米粒子的局部表面等离子共振效应的传感现象432

1．局域表面等离子体432

2．基于等离子体的双传感方法432

4 基于金属粒子黏结剂的微电子封装434

1．导电胶技术和金属纳米粒子黏结剂434

2．低温烧制和微小电子电路板的形成435

3．采用喷墨打印技术直接加工电子电路板437

4．连接材料的应用438

5 基于金属纳米粒子的染料敏化太阳能电池438

1．什么是染料敏化太阳能电池438

2．石英基底上真空蒸馏制备的纳米银粒子对钌染料吸收系数的提高439

3．多孔TiO2内银纳米粒子-钌染料吸收系数的提高440

6 口服肽药物的纳米粒子设计442

1．微粒设计和功效443

2．实例研究445

7 通过晶状体细微粒子黏结技术制备的厚电子陶瓷薄膜及其应用450

1．气浮沉积法（ADM）450

2．利用AD法制备的厚电子陶瓷薄膜450

3．AD陶瓷薄膜的应用451

8 高性能分离薄膜的开发和多功能化453

1．气相分离453

2．液相分离456

9 基于高分子材料中粒子分散的聚合物-黏土纳米复合材料的发展458

1．尼龙6-黏土混合物458

2．聚丙烯-黏土混合物及其性质459

3．三元乙丙橡胶（EPDM）-黏土混合物及其性质459

4．黏土聚合物的形态控制459

10 新型铁电材料的开发460

1．铋层结构铁电材料（BLSFs）的晶体结构460

2．晶体生长和实验步骤461

3．BiT-BBTi晶体的层状结构、介质性质和漏电性质462

4．BiT-BBTi晶体的最大极化462

11 新磷光体的发展464

1．纳米磷光体的发展历史464

2．稀土元素纳米磷光体的特性465

3．新纳米磷光体的发展趋势465

12 沸石膜467

1．特征467

2．合成467

3．沸石膜的分离特性469

13 绝缘材料的性能加强470

1．耐电压特性470

2．耐压痕和耐腐蚀特性472

3．热特性473

14 在亚临界和超临界水条件下钛酸钡纳米粒子的合成473

1．基于超临界水热合成法的四角形BaTiO3纳米粒子制备实验474

2．四角形BaTiO3纳米粒子的选择性制备474

15 捕获柴油颗粒的陶瓷过滤器477

1．PM的制备477

2．PM的捕获478

3．压力损失479

4．多孔碳化硅的特征480

5．柴油颗粒过滤器（DPF）的功能和特征480

6．捕获柴油颗粒过滤器的未来发展481

16 DNA的纳米粒子构造（球状体转化）481

1．DNA纳米粒子承受机械应力的限度482

2．DNA纳米粒子的精密操纵483

17 利用DNA分子的纳米粒子定位485

1．DNA分子拉伸486

2．纳米粒子的定位487

18 高性能电化学反应器的开发489

1．环境净化中的电化学反应器489

2．利用电化学反应器分解废气中的NOx489

3．用于同时净化NOx／PM的电化学反应器的开发492

19　树状聚合物及其在有机电子产品中的应用494

1．树状聚合物的合成与结构494

2．树状聚合物的金属组装特性496

3．电子设备中的应用496

20　分散有导电碳纳米管（CNT）的Si3N4陶瓷498

21　生物可降解纳米球技术在功能性护肤品中的开发501

1．美白除皱的纳米化妆品501

2．PLGA纳米球的皮肤科渗透性评价及其功效501

3．PLGA纳米球功能化妆品504

22　基于纳米组装的光电晶体的开发506

1．纳米组装技术506

2．通过纳米组装技术制造光电晶体507

23　液晶无机纳米和细微粒子509

1．有机液晶和感胶液晶无机细微粒子509

2．有机-无机混合液晶的开发510

3．未来发展514

24　组装有纳米粒子的紧密堆积胶态晶体及其在具有可调结构色的智能材料中的应用515

1．紧密堆积的胶态晶体薄膜516

2．胶态晶体的结构色及其调整机制517

3．基于液体膨胀的可调结构色518

4．利用机械应力实现的可调结构色519

5．总结和展望519

25　新型纳米粒子化妆品的开发521

1．纳米粒子的使用521

2．用作复合粒子524

3．未来发展526

26　乙醇中Al2O3纳米粒子的分散控制527

1．PEI分子量对纳米粒子悬浮液黏度的影响527

2．PEI分子尺寸和悬浮液黏度的关系528

3．使用纳米胶体探针AFM研究Al2O3纳米粒子间的表面相互作用528

4．Al2O3纳米粒子悬浮液中高分子分散剂的机械运动529

27 温敏性磁性纳米粒子的发展及其在生物技术中的应用531

1．磁性纳米材料531

2．什么是温敏聚合物531

3．温敏磁性纳米粒子532

4．温敏磁性纳米粒子在生物技术领域的应用533

5．未来展望537

28 燃料电池的开发538

1．燃料电池的挑战539

2．基于纳米粒子技术的高性能固体燃料电池的开发540

29 向大脑的传输543

1．通过表面修正改善纳米粒子在大脑中的分布543

2．给药途径对大脑分布的影响544

3．纳米粒子在大脑内靶向传输的前景展望546

30 无嘴喷墨技术546

1．无嘴喷墨技术的原理及其系统547

2．利用无嘴喷墨技术制造悬浮液549

31 尾气催化剂的开发550

1．所需的金属催化剂550

2．催化剂的储氧性能551

3．催化剂储氧性能的改善551

4．催化剂热阻的改善553

32 基于纳米粒子半导体的光学存储器的开发555

1．纳米粒子半导体的荧光性特征555

2．纳米粒子半导体薄膜的光学存储器效应556

3．CdSe薄膜的制备和评价方法556

4．荧光性对激发光强的依靠性556

5．未来展望557

33 基于含有纳米粒子半导体的玻璃的明亮荧光粉的开发558

1．通过水溶方法实现高荧光纳米粒子半导体的合成559

2．通过溶胶凝胶法制备含有纳米粒子半导体的玻璃荧光粉559

34 嵌入多孔铝硅酸盐表面的光催化剂的开发562

1．TiO2-铝硅酸盐复合体的结构562

2．TiO2-铝硅酸盐复合体的光催化作用562

3．TiO2-铝硅酸盐复合纸的耐光性564

35 通过表面改性降低交流架空电缆的可听噪音566

1．交流架空电缆的可听噪音566

2．电力线的润湿性566

3．测试电缆的制备567

4．钛氧化物热合膜的特征568

5．可听噪音的测量568

36 基于表面结构控制的高性能蓄电池组的开发570

1．镍氢电池的阳极571

2．镍氢电池的阴极572

3．锂离子电池的阴极572

4．锂离子电池的阳极573

37 精细药物和基因递送575

1．生物纳米胶囊（BNC）575

2．生物纳米胶囊的潜在应用576

3．任务577

4．总结578

38 利用飞秒激光加工的纳米结构的光学功能578

1．玻璃内稀土离子的空间选择性价态操控578

2．基于飞秒激光的透明材料内部金纳米粒子的沉积控制579

3．纳米光栅的制造581

39 基于瞬间纳米发泡法的闭合孔隙二氧化硅粒子的制备583

40 聚合物中分散碳纳米管的评价和应用588

1．碳纳米管588

2．碳纳米管团的断裂模型588

3．基于挤压机的碳纳米管分散588

4．复合材料的分散及其评价590

5．Ar分布团和复合材料的关系590

6．过滤591

7．碳纳米管复合树脂材料的开发592

41 利用有机功能团对无机纳米粒子进行表面改性593

1．贵金属纳米粒子的表面改性593

2．金属氧化物纳米粒子的有机改性593

3．无机纳米粒子和生物分子的混合体595

42 有机纳米粒子制造技术及其光学性质和物质化596

1．用于纳米晶化的有机化合物596

2．有机纳米晶体的制造技术596

3．有机纳米晶体光学性能的粒径依存性599

4．基于外场的有机纳米晶体定向控制600

43 通过量子点实现生物成像601

1．量子点的发展601

2．生物成像的发展602

3．生物成像和量子点602

4．抗体的量子点标注603

5．量子点标记细胞的活体显微技术：器官内的定位603

6．体外定位的观察605

44 生物医学工程中量子点的应用606

1．实验室试验中的应用606

2．基于图像分析的诊断607

45 工业应用中纳米粒子的合成、分散和功能化608

1．简介608

2．纳米粒子合成技术现状608

3．纳米材料开发的新策略608

4．结论612

46 基于射频感应热等离子法的纳米粒子合成612

1．基于射频感应热等离子法的纳米粒子合成方法的优势612

2．合成纳米粒子的实验装置和设备613

3．基于射频感应热等离子法的纳米粒子制备613

4．结论617

47 氧化物纳米片的自组装：精准的结构控制及其应用618

1．简介618

2．功能化纳米片的合成618

3．氧化物纳米片的层层自组装619

4．在纳米电子学中的应用619

48 碳黏合陶瓷的开发620

1．碳黏合陶瓷的制备620

2．碳黏合陶瓷的微结构和性能621

3．碳黏合陶瓷623

4．潜在应用623

49 纳米粒子分散和合成工艺的开发及其在消防服中的应用624

1．简介624

2．通过气相反应方法制备纳米复合粒子624

3．基于干式机械法的纳米粒子的分散和合成626

4．基于湿式方法的纳米粒子分散及其在消防服中的应用627

50 氮化硼纳米管的制备及一系列先进纳米材料的可能性629

1．简介629

2．氮化硼纳米管（BNNTs）的合成方法630

3．通过添加氮化硼纳米管增强树脂性能631

4．利用氮化硼纳米管制造绝缘导热体634

5．氮化硼纳米管和聚合物界面间相互作用的表征635

6．总结636

51 PLGA纳米粒子设计及DDS与医疗设备637

1．简介637

2．PLGA纳米粒子DDSs637

3．利用PLGA纳米粒子作为基本载体的应用技术641

4．PLGA纳米粒子系统平台和纳米医疗系统的实现641

5．总结647

52 基于纳米粒子立体平版印刷制造的用于太赫兹波传感的光子晶体共振器的开发648

53 纳米级着色粒子的实用性问题650

1．简介650

2．纳米级着色粒子及功能特性的改善651

3．总结655

54 双稳态反射演示（QR-LPDTM）中电子液态粉末TM的材料设计656

1．简介656

2．QR-LPD概况656

3．电子液态粉末657

4．电气性能测量657

5．附着力测量659

6．材料设计659

7．总结661

55 含有纳米粒子的纳米复合材料的三维结构分析661

1．简介661

2．包含粒子填充物的纳米复合材料TEMT662

3．TEMT的新进展663

56 粉末技术和用于煤炭清洁使用的纳米科技667

1．应用于煤粉燃烧发电厂中的粉末技术和纳米技术667

2．应用于高效煤炭使用系统中的粉末技术和纳米技术668

3．CO2捕捉和存储方法的研究669

4．低阶煤和生物质能的升级670

57 基于纳米粒子黏合的纤维增强塑料（FRP）的高效回收方法671

1．简介671

2．玻璃纤维增强塑料（GFRP）高效回收工艺的开发671

3．复合材料的智能回收673

58 纳米技术在机械化学中的挑战674

1．简介674

2．材料加工674

3．总结679

59 基于中空硅纳米粒子的透明优质隔热膜679

1．绝热技术简介679

2．如何制备具有纳米间距的聚合物膜680

3．现场试验中的隔热膜性能682

60 纳米粒子复合技术在低铂负载的高分子电解质燃料电池（PEFC）中的开发684

1．PEFC催化剂的粒子设计684

2．PEFC阳极Pt/C-WC复合粒子的制备685

3．PEFC阴极Pt/C-SnO2复合粒子的制备687