纳米化学分析范文1
关键词：纳米材料；化学化工领域；应用
基于现代科学技术不断进步的基础上，纳米材料是一种新型材料，具有独特的性质，在特殊结构层次的影响下，表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应是其主要的特点。在化学化工领域内，纳米材料具有良好的应用价值，以下进行具体分析。
1纳米材料及其特性
纳米材料是一种新型材料，三维空间中至少有一维处于纳米尺度，或者以纳米尺度作为基本结构，该材料的尺寸结构特殊，相当于10-100个原子紧密排列在一起。纳米科技将成为21世纪科学技术发展的主流，它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理、化学、生物特性为涂料等领域的发展提供了新的机遇。
纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成，其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子达15%～50%，且原子排列互不相同，界面周围的晶格原子结构互不相关，使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。纳米材料主要有四方面特性，分别是表面效应、小尺寸效应以及宏观两字隧道效应，以下分别进行具体分析：
一是表面效应，纳米材料的表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数的比例值随着粒径变小而急剧增长后所导致的性质改变。根据相关研究表示，伴随着粒子直径的缩短，避免原子个数的增长速度迅猛，而表面原子由于周围缺乏相邻原子，呈现不饱和性状态，强化了纳米粒子的化学活性，从而使得纳米材料能够在吸附、催化等作用上明显的优势。
二是小尺寸效应。小尺寸效应即为纳米粒子的粒径小于或等于超导态的相干波长时，其周期性的边界条件将被损害，从而使得纳米材料的化学性质、催化性质相对于其他材料来说有着明显的区别。小尺寸效应不单单显著扩展了纳米材料的物理与化学特性范围，并且大大拓展了其应用领域。
三是宏观量子隧道效应。该效应主要是指纳米粒子能穿越宏观系统的壁垒而出现变化的一种特征。这一效应对纳米材料的基础研究与实际应用都有着十分关键的作用。宏观量子隧道效应限制了磁盘对信息存储量的限制，明确了现代微电子元件微型化的极限。
四是量子尺寸效应。该效应主要是指纳米粒子尺寸持续减少到某一数值时，纳米能级周边的电子能级可以转变为分离能级粒。这一效应使得纳米粒子拥有高水平的光学非线性、光催化性等特征。
总的来说，纳米材料与其他材料不同，拥有众多与众不同的特性，这使得其在力学、磁学、热学等各个领域都拥有十分重要的应用价值，并给资源利用拓展了更大的空间。
2纳米材料在化学化工领域内的应用
2.1在环境保护方面的应用
纳米材料以其自身基本特性在环境保护领域内发挥着重要的作用，为空气污染与水体污染治理等提供了可靠的技术支持，改善了空气与水体质量，满足可持续发展理念下环境保护的基本要求。
就纳米材料在空气净化方面的作用来看，其具有细微的颗粒尺寸，并且纳米微粒表面形态特殊，粒径大小各不相同，对着粒径的减少纳米微粒表面粗糙状态加剧，最终形成凹凸不平的原子台阶，从而对空气污染进行科学化治理，提高空气净化效果。纳米材料与技术在汽车尾气超标报警器与净化设备中也具有良好的应用效果，能够有效提高设备性能，从而切实减少汽车排放尾气中所含的有毒物质，降低空气污染指数，从而为社会群体的工作与生活提供优质的环境。除此之外，纳米材料与技术在石油提炼工业中也具有良好的应用价值，能够优化脱硫环节，从而提高石油炼化工业的生产效率。
就纳米材料在污水治理方面的作用来看，其能够有效提取污水中的贵金属，去除污水中的有害物质、污染物质和细菌等，从而改善水质，并能够实现循环利用，对于社会生态的稳定平衡发展具有重要意义。水体中的污染物均可以基于纳米材料与技术来进行治理，在有机污染物与无机污染物上并没有明显差异，尤其是纳米为例光催化作用，能够将水体中的污染物制造为矿化物，从而促进改善水质，去除有害污染物的目标得以顺利实现。
2.2在涂料领域内的应用
纳米材料及技术在涂料领域内也发挥着重要的作用，由于纳米材料存在一定表面效应，其结构层次特殊，与其他材料相比纳米材料的性质比较特殊，并具有一定优势与活力。纳米材料在化学化工领域内的应用主要体现在表面涂层方面，并且受到社会群体的高度灌注。纳米材料及其技术的合理应用，推进了涂料领域内表面涂层技术的不断发展，为化学化工领域各项活动的规范进行提供可靠的技术支持。基于传统涂层技术的基础上，纳米复合体系涂层得以实现，并促进了表面涂层技术的不断发展进步。由于纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性能，将其用于涂料中后，除了可以改性传统涂料外，更为重要的是可以制备各种功能涂料，如具有抗辐射、耐老化、抗菌杀菌、隐身等特殊功能的涂料。
基于纳米材料与技术的纳米复合体系涂层的出现和应用，改善了涂料的防护能力，并使得涂料具备防紫外线等作用，使得涂料的使用价值得到明显改善。在汽车装饰喷涂行业中对纳米材料与技术加以合理应用，能够海山汽车漆面的色彩效果；将纳米材料应用于建筑材料涂料中，能够改善热传递效果，并减少透光性，从而优化涂料性能，满足实际使用需求。
2.3纳米材料材料在催化领域中的应用
催化剂在众多化工领域中都占据着十分重要的地位，其能够控制反应时间、提升反应速度与效率，显著提升经济效益，减少对生态环境的污染。首先，光催化反应。纳米粒子作为光催化剂拥有粒径细、催化效率高等优势，十分容易利用光学手段来对界面的电荷转移进行等特点进行研究。例如，利用纳米Ti02应用在高速公路照明装置的玻璃罩面中，由于其拥有较高水平的光催化活性，能够对其表面的油污进行分解处理，从而保证其良好的透视性。又例如，在火箭发射所使用的固体燃料推进器中，如添加大约为1wt%的超细铝或镍颗粒，可以使得其燃烧使用率增加100%。将表面为180m2/g的碳纳米管直接应用在NO的催化还原中，从而可以增加NO的转化率。
纳米化学分析范文2
【关键词】功能性 纳米材料 电化学 免疫传感器
【Abstract】The immune sensor is based on the close cooperation with the selective immune response and is suitable for the signal conversion technology， to monitor antigen - antibody response of biological sensors， gradually get rapid development and extensive application in many fields. In recent years the electrochemical immunosensor main research direction， in general is to improve the sensitivity， accuracy， selectivity， response time， and this article will use the single-walled carbon nanotubes as electrode， using its good conductivity， high surface area ratio， through the modification of carbon nanotubes wall and pipe end and biological molecular bonding， and keep the activity of biological molecules， the electrochemical immunosensor extremely symbolic significance. This paper combines the specific relevant theories and analysis， the application of functional nano materials in electrochemical immunosensor for research.
【Key words】Functional； Nano materials； Electrochemical； Immunosensor
免疫传感器的一般工作原理为固定在换能器上的抗体（抗原）对样品介质中的抗原（抗体）进行选择性免疫识别，并且产生随分析物浓度的变化而变化的分析信号。在抗体的不同区域和抗原决定簇之间的高选择性反应主要包括疏水力、静电作用力、凡德瓦尔力和氢键作用力。近年来纳米材料在电化学免疫传感器上的应用也发展得相当迅速。由于纳米材料具有表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高和吸附能力强等优异性质，将纳米微粒应用于电化学免疫传感器中，可以提高传感器测量的灵敏度、准确性、减少采血量和检测时间[1]。作为免疫分析技术的一个重要分支，免疫传感器除了具有传统免疫分析方法所共有的性能特点外，还具有高选择性、高灵敏度、可逆性和剂利用的高效率等优点。另外，免疫传感器大都制备简单，便于实现自动化、数字化和微型化，因此可以避免传统免疫分析方法所附带的一系列问题，故在临床分析、环境分析和生物监测过程中显示了强大的应用潜力[2]。因为免疫传感器常用来测量源于分析物和固定的抗体/抗原之间的反应而产生的信号，所以将抗体（抗原）固定在原始换能器表面的固定化过程在免疫传感器制备中有着重要的作用。大量的固定法已用于各种免疫传感器，如静电吸附、包覆法、交联法、共价键结合法等。
1 电化学免疫传感器的工作原理
由于电化学免疫传感器具有高灵敏度、低成本和便携等优点，成为免疫传感器中研究最早、种类最多，也较为成熟的一个分支。电化学免疫传感器的基本工作原理是：采用电化学检测方法来检测标记的免疫剂或一些由酶、金属离子和其它电活性物质标记的标记物，从而对疾病诊断或病人状态监测中复杂系统的多组混合物进行分析提供有力数据[3]。用于电化学免疫传感器检测中的换能器主要分为电位型、电导型、电容型、阻抗型和安培型等装置。电位型传感器现在已经被公认为是一种成熟的传感器，已有大量的商品化产品。对于电位型传感器，当电流流动为临界点时，换能器界面处于平衡状态，此时电极或者表面修饰膜的电位变化与溶液定金属离子活性呈对数比例关系，这就是电位型换能器的基本工作原理。这类生物传感器具备制备简单、操作容易及选择性良好的优点[4]。
2 功能性纳米材料技术
与块状物质相比，金属和金属氧化物纳米粒子由于其新颖的材料特性，近年来已被广泛研究。少于50个金属原子小团簇可以产生像大分子一样的效果，但大于300个原子的大团簇表现出大体积样品的性质，介于这两种极端之间的材料，通常为纳米材料，有许多未知的化学和物理性质，这也是许多研究一直集中于纳米材料的一个原因。纳米材料具有依赖于其尺度的光、电和化学性能[5]。纳米材料可以应用到许多领域，如光学器件、电子器件、催化、感测技术、生物分子标记等。考虑纳米粒子的优点，如大面积、高催化性和良好的亲和性，如今，多种纳米材料已被用来包覆蛋白质。常用的有纳米碳管（CNTs）、金胶体（Au colloidal）、量子点以及纳米二氧化钛。CNTs自从1991年被发现以来，引起了一股研究热潮。纳米直径的圆筒形石墨片状的CNTs具备高电导率、良好的化学稳定性、非常显着的机械强度和成模性。纳米碳管可以与DNA分子自组装（self-assembly）。根据理论预测与实验验证，DNA/CNTs 层可作为新的电子材料[6]。由于DNA溶液可以胶化，混合的DNA/CNTs层能够在金属电极表面保持稳定，可以用来研究一些电化学现象或检测一些蛋白质性质。此外，带正电荷的蛋白质可被固定在带大量负电荷的DNA修饰层上。多壁纳米碳管与DNA混合后，可成功地固定在铂电极表面，更进一步的研究表示，细胞色素C可被强吸附在修饰电极表面形成一种近似的单分子层。
纳米技术的快速发展为纳米粒子在生物传感器和生物分析中的应用开拓了新的方向，由于其独特的物理、化学性质，纳米粒子引起了纳米科学家的极大兴趣，这些性质使其在化学和生物感测方面具有广阔的应用潜力。近年来，组成和空间结构不同的纳米粒子被广泛应用于不同生物分子识别的电学、光学和微量感测中。胶体金（Colloidal gold）和半导体量子点纳米粒子在生物分析中应用得非常广泛。通过与生物识别反应和纳米生物电子的耦合作用，能极大地提高这两种纳米粒子的用途。纳米粒子放大标记以及纳米粒子-生物分子的自组装产生极大的信号增强作用，为制造超灵敏的光学和电学检测奠定了基础，其灵敏度可与聚合物酶链反应（PCR）相比[7]。
纳米材料独特的性质使其在设计具有高灵敏度和选择性的核酸和蛋白质检测方法中具有广阔的应用前景。由于可以制得不同尺寸、组成和形状的纳米材料，调节其物理化学性质，使其在生物感测和生物分析中得到广泛的应用。由于纳米材料的小尺寸效应，其性质很大程度上受到与其结合的生物分子影响。近几年，不同组成的纳米粒子作为多种用途、灵敏的标记物被广泛地应用于识别不同生物分子的电子、光学和微天传感器中。纳米粒子放大标记以及纳米粒子-生物分子的自组装产生极大的信号增强作用，这种技术结合了纳米粒子-生物分子自组装的放大特性和光学或电化学传感器的高灵敏性，将多个基于纳米材料的放大单元和过程结合，也能够设计出多重放大器，满足现代生物分析对更高灵敏度的需求[8]。金属纳米粒子独特的催化性质能在其本身或另一种金属纳米粒子的刺激下实现放大信号的功能。也可以通过将大量的能够产生信号的分子封装在纳米粒子中以提高每个结合过程标记物的数量，达到放大信号的目的。这些基于纳米材料的生物感测和生物分析方法还能够与其它的放大技术结合。如图1所示。
3 基于功能性纳米粒子的电化学免疫传感器与应用
基于抗体和抗原的特异性反应，免疫传感器为免疫剂的分析提供了一种灵敏的选择性的方法。在此方法中，免疫材料被固定在传感器上，通过标记物与其中一种免疫剂的复合物对分析液进行测量[9]。一般是通过测量标记物的特异活性，例如放射性、酶活性、荧光、化学发光或生物发光对分析物进行定量。但是每一种标记物都有自己的优缺点，含有金属标记物免疫检测的金属免疫检测，以克服一般的放射性标记，荧光标记和酶标记的缺点。电化学检测的金属免疫分析具有以下几种优点：如，检测液用量少、样品不用纯化、灵敏度好、仪器设备相对便宜。尽管电化学技术能够检测到nano-mole有机金属化合物或金属离子，与能检测到pico-mole级的荧光检测方法相比，灵敏度还不够高。使每个结合物上含有最大量的金属标记物的理想方法是使用包含上千个金属原子的金属纳米粒子。由于其优越的氧化还原活性，胶体金是电化学免疫感测和免疫标测标记物的最佳选择。现已建立了一种基于金纳米粒子循环累积的新方法，通过阳极溶出技术检测人的免疫球蛋白（IgG）[10]。在生物素存在下，脱巯基生物素和亲合素的解离反应为能够分析最终定量的金纳米粒子的循环累积提供了有效的路线。阳极峰电流随着循环次数的增加而增大。五个循环的累积即可满足该分析方法的需要。这种方法的优点就是背景值很低，从而使人IgG的检测极限可达0.1ng/ml。如图2、图3所示。
4 结语
纳米技术为设计超灵敏的生物传感器和生物分析方法提供了很大的机会。纳米粒子在生物传感器放大和生物分子识别具有巨大的潜力及应用价值。新的纳米粒子感测技术的超强灵敏度，为常规方法检测不到的疾病标记物提供了可行性。这种高灵敏的检测方法还能够实现疾病的早期诊断或预警。纳米粒子标记物在蛋白质检测中的应用还处于起步阶段。但超灵敏的DNA检测中的应用会为蛋白质的检测提供好的起步。
参考文献：
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纳米化学分析范文3
关键词：纳米二氧化硅 复合改性 共聚改性 聚乳酸
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0119-02
随着全球经济的发展加快，能源的消耗量正在逐渐增加，各个国家开始重视能源材料的节约使用以及新型材料的研发，聚乳酸在生产过程中对于环境造成的污染非常低，而且它还具备一定的再生性，所以各个国家开始广泛关注聚乳酸的有效的应用。在一定的自然条件下，聚乳酸能够在生物方面达到降解的效果，在降解过程中产生相应的水以及二氧化碳，不会对生态环境造成任何的影响，它有效的改善了高分子材料中存在的一些不足之处。聚乳酸还具备良好的生物吸收性与相容性，所以聚乳酸在医药卫生、包装材料等一系列领域中的应用范围非常广泛。
就目前来看，聚乳酸复合材料主要是在一定条件下，聚乳酸与填料之间复合而形成的，这一种复合方式中聚乳酸与填料之间相互结合的效果较差，而且填料的分散状态处于一个不均匀的状况，在很大程度上可能会造成聚乳酸分析量的减少，制备过程中的一些工序非常的复杂，制备的时间也较长。本文主要针对制备聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料过程中使用相应的原位聚合法，利用辛酸亚锡进行催化操作，能够在很大程度上改善聚乳酸具备的性能，简化了工艺流程，能够有效的对聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料进行相应的制备操作，还能够表征聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料中具备的性能及其结构。
1 聚乳酸共聚改性及纳米二氧化硅复合改性的实验
1.1 主要的原材料
聚乳酸共聚改性及纳米二氧化硅复合改性实验中主要的原材料有：DL-丙交酯、辛酸亚锡、三氯甲烷、石油醚以及改性之后纳米二氧化硅中形成的粉体。
1.2 制备聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料的流程
在安装了搅拌装置的干燥三口瓶中，将一定分量的改性纳米二氧化硅、丙交酯以及辛酸亚锡倒入其中，进行抽真空操作，大约3 h之后向干燥三口瓶中充入氮气，进行密封，然后将干燥三口瓶置于135±5 ℃油浴24 h，让其在油浴中发生化学反应；在反应完成之后，使用CHCl3进行相应的溶解，采用石油醚进行沉淀，在产生白色黏体状的物质之后，进行抽滤操作，将干燥三口瓶置于45 ℃真空干燥箱中，使其重量处于一个恒定状态，使用型号为Agilent1100的凝胶色谱仪器对聚合物中含有的分子量进行准确的检测，将聚苯乙烯作为相关样品在制作过程中的标准规范，将四氢呋喃作为相应的溶剂。
1.3 聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料的表征
1.3.1 红外光谱研究
采用的红外光谱分析仪器型号为EQUINOX-55，对聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料的结构进行研究。
1.3.2 力学性能检测
使用电子拉力检测仪器对聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料中含有的断裂伸长率与拉伸轻度进行检测，分别对每一个样品测试4次，然后取测试数值的平均值。
1.3.3 扫描电镜研究
采用的扫描电镜型号为FEISIRION 200，对聚乳酸中纳米二氧化硅粒子的分散状况进行观察与分析。
2 聚乳酸共聚改性及纳米二氧化硅复合改性的实验结果与探讨
2.1 红外光谱研究结果
如图1所示，样品的红外谱图。从图中能够发现，样品中全部都具备聚乳酸特征中存在的吸收峰：1633.12 cm-1位置是端羧基中C―O伸缩振动峰，1753.27 cm-1位置是C―O伸缩振动峰，1164.29 cm-1位置与1258.12 cm-1位置是C―O的对称伸展振动峰与反对称伸展振动峰，3492.42 cm-1位置是-OH吸收峰等。将a曲线与b曲线之间进行一个比较，能够发现聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料在1087.01 cm-1位置中出现了Si-O-Si吸收峰，在1131 cm-1位置中出现了Si-O-C吸收峰。因此，能够证明聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料已经形成。
2.2 力学性能研究结果
如图2所示，纳米二氧化硅用量的多少会对聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料中具备的拉伸强度造成一定程度的影响。从图2中可以发现，纳米二氧化硅用量的增加，会在一定程度上降低聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料中含有的断裂伸长率，拉伸强度在一定范围内的增加，主要的原因是聚乳酸内部中含有的改性纳米二氧化硅发挥了相应的交联点作用，增强了聚乳酸结合力，制约了分子出现变形的情况，加强了抗拉伸能力。
2.3 扫描电镜研究
如图3所示，利用扫描电镜拍摄的纯聚乳酸断面在放大一千倍之后的照片。图3中显示的是纯聚乳酸断面中的平面十分的干净，断面中的断裂形态能够在扫描电镜拍摄照片中颜色比较暗的位置中体现出来，聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料的拉伸强度与热稳定性得到了提升。
3 结语
聚乳酸具备良好的热成型性、弹性模量以及机械强度，但是在实际运用过程中还存在一些问题，所以人们开始重视聚乳酸共聚改性的分析与研究。纳米二氧化硅复合材料不仅能够充分的发挥二氧化硅具备的粒子协同效应、表面效应以及小尺寸效应，还具备高分子材料中含有的优点，在很大程度上增强了复合材料的电、光、磁以及机械等一系列功能特性，各个国家在新型材料研发事项上开始逐渐重视纳米二氧化硅复合材料。制备聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料，主要是为了将聚乳酸的优势与纳米二氧化硅的优点充分发挥出来，研发出性能更加强大的高分子材料，具有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 王宁宁.聚乳酸共聚改性及纳米二氧化硅复合改性研究[J].河南大学学报，2012（17）.
纳米化学分析范文4
Device Applications of Silicon Nanocrystals and Nanostructures
2009
Hardback
ISBN9780387786889
Koshida著
在纳米尺度,半导体器件将会呈现出不同于宏观尺度的光学、电学性能,充分利用这些性能可以制备很多具有特殊用途的器件。本书分别介绍了硅纳米晶及其纳米结构在光电器件、电子器件及功能器件等三方面的应用。
本书共11章,1.介绍了富硅介质在有源光电器件中的应用。本章比较了富硅氧化物和富硅氮化物在晶体结构、发光效应和发光效率的区别,认为发光效应及效率主要来自硅纳米晶,并指出硅纳米晶结构在有源光电器件中的重要作用;2.硅纳米结构的场致发光器件,介绍了多空纳米硅、富硅氧化物或氮化物、硅超晶格等硅结构,分析了硅纳米晶结构场致发光器件中的作用,硅纳米晶作为激发物而不是发光物质;3.介绍了si/sio2超晶格结构的光学性能、制备过程和采用的技术以及它的发展前景;4.首先介绍了纳米硅结构在注入式激光器设计中的作用,然后进行了实验分析得到了大量的数据,最后指出了纳米硅在激光器制造中的应用前景;5.介绍了硅单电子器件,这种器件可以对单电子进行控制,具有优越的性能,应用前景很广,目前比较典型的是应用在存储和逻辑器件上;6.spin-based 硅晶体管,分别介绍了几种新型的硅晶体管及其性质;7.首先从纳米尺度分析了电子在硅纳米晶的传输特性,然后介绍了电子在硅纳米晶阵列上的传输特性;8.首先介绍了硅纳米晶永久性存储器的发展历史,分析了将自上而下和自下而上两种设计方法进行集合的应用前景以及自组装硅纳米晶在Flash制造中的应用;9.首先介绍了BSD的性能及其发光机理,然后分析了器件发光效率和纳米结构之间的关系,最后着重介绍了玻璃基BSD;10.介绍了多孔硅光电器件的结构和基本性能,以及在label-free生物传感器中的应用;11.介绍了一种基于多孔硅纳米晶的超声发射器。
作者nobuyoshi koshida 1943年出生于日本北海道,分别于1966、1968、1973获得了东京大学工学学士、电子工程硕士和博士学位。1981年他进入东京农工大学电机系任教,1988年成为电子工程专业教授,2002年成为工学研究生院纳米科学与技术教授。他分别于1992-1993年在马萨诸塞学院,1993年在卡文迪实验室,1996年在法国傅立叶大学担任客座教授。他发表的文章,出版的专著合计超过280余篇,目前他担任ECS日本分会主席,是日本应用物理协会理事、美国材料学会及美国物理协会成员。
本书是一本论文汇编,所收录的论文是由相关领域的专家完成的,对于从事微电子设计、纳米技术研究的人有重要的参考价值。
刘军涛,博士生
(中国科学院电子学研究所)
纳米化学分析范文5
关键词：纳米材料，教学方法，教学质量
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）06（b）-0000-00
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新兴学科领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等领域[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推动人类未来发展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有广泛的应用前景。纳米科技的迅猛发展将促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行探讨。
1 教学目的制定
课程的目的是通过课堂教学，使硕士研究生能够了解、掌握纳米科学与技术的概念、分类及其特点，了解和掌握纳米材料的基本物理和化学性能；掌握纳米材料的主要制备方法和原理；掌握纳米材料的结构分析测试方法；了解纳米材料的生物毒性和安全性；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及最新研究进展，以便使学生了解和把握当今纳米科学的最新研究前沿
2 教学内容的选择
目前，纳米材料正蓬勃发展，其涉及的面也越来越广泛，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面等多中学科，内容广泛[2]。随着纳米科技的兴起，也出现了很多介绍纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和资料，对推动纳米科技的健康发展起了很好的作用。但是，在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。根据笔者从事纳米材料课程教学的实践，认为要达到前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的基本概念、发展史；纳米材料的分类及其特点；纳米材料的基本物理和化学性能；纳米材料的主要制备方法和原理；纳米材料的结构分析测试方法；纳米材料的生物毒性和安全性；纳米材料最新研究进展。根据教学内容特点，可以考虑将教学内容分会以下6个部分。
2.1 绪论
从纳米材料的新奇特性开始，讲述纳米材料的内涵和基本概念以及发展史。根据材料的分类方法讲述纳米材料的分类方法及特点。讲述纳米材料的基本结构单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等基本性能。并结合我国纳米材料研究现状和学生研究方向进行相关讨论，激发学生对纳米材料的好奇心和求知欲。
2.2 纳米材料物理化学性能
主要内容涉及纳米材料的结构和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、团聚等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与结构关联，按照基本结构-基本特性-特殊结构-特殊效应-特殊功能-特殊应用这一思路，引领学生深入思考，可以起到举一反三效果。
2.3 纳米材料的制备方法和原理
按照纳米材料维数分类方法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备方法和基本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相方法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相方法。并结合学生研究方向对相关材料和方法进行详细讨论，使学生掌握相关制备方法，为随后的研究奠定坚实的基础。
2.4纳米材料的结构分析测试方法
主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。通过学习，使学生掌握纳米材料测试的主要方法和仪器，并掌握各种仪器的优缺点和适用范围。同时，也使同学们认识到纳米材料研究的高技术特点。
2.5纳米材料的生物毒性和安全性
主要包括纳米材料的生物毒性和安全性。根据已有的相关研究报道，介绍一些纳米材料的生物毒性，让学生们了解纳米材料的不足之处，掌握相关的安全操作规则，以便在随后的纳米材料相关研究中避免出现安全事故。
2.6最新研究进展
根据纳米材料的最新研究热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技领域国际最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。
3. 教学方法与手段
3.1 多媒体教学
针对纳米材料课程内容广泛，知识点多的特点，采用多媒体教学方式。利用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，可以使教与学的活动变得更加丰富多彩，又可以将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同学们。从而激发学生的学习兴趣，促进学生思维发展，丰富学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，可以动画的形式展现，方便学生们理解。讲述纳米材料的制备方法时，可以通过示意图的形式展现，更容易让学生理解和掌握。
3.2交互式讨论
利用交互式讨论教学方式。根据学生的兴趣，结合课程内容，将学生划分多个课题小组，进行课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生通过文献查阅等方式了解该方法；其次，在课堂上就该方法、原理和实践应用进行充分讨论和分析；最后老师指出该内容的重点和难点。通过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体地位，尊重学生的主体意识；创设民主、平等的课堂氛围，让学生充分发表自己对问题的看法，发挥学生的主管能动性，变被动接受为主动探索；使学生的创新意识、创造性思维能力得到不断的发展[3]。
3.3实践操作相结合
纳米材料是一门实践性很强的课程。在课程教学中要充分与实践相结合，根据学生的研究方向，结合课程内容，安排学生进行相关实验。通过具体的实验使学生对纳米材料有更多的感性认识。涉及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，结合具体情况，可安排一定时间上机观察和操作。
4 结语
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行系统的探讨，实践证明，这些举措的实施取得了良好的教学效果，为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用
参考文献
[1]白春礼.纳米科技及其发展前景，新材料产业[J].2001，4：8-11.
纳米化学分析范文6
[关键词]微合金钢；强韧化机理；原子团簇
[DOI]1013939/jcnkizgsc201615053
1引言
微合金钢以其节能、较高的强度及韧性等优点，被国际社会公认为“环境保护材料”。大幅度提高其强度和韧性，是“新一代钢铁材料重大基础研究”的主要目标之一，是我国“发展循环经济、建设节约型社会”可持续发展战略的基本要求。目前学术界普遍认同的微合金钢管强韧化机理是“在线常化”理论，即通过控轧控冷工艺基本完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变，再加热时重新奥氏体化，利用冷却和再加热过程中两次相变实现细化组织的目的。
2前期工作
前期工作发现：在满足使用要求的前提下，可大幅度提高微合金钢管韧性的一种工艺虽类似“在线常化”，但在冷却及再加热过程中并未发生相变，“在线常化”理论难以解释其良好强韧性机理。针对N80非调质油井管用钢，重点研究了微合金元素除了细化奥氏体晶粒以外的其他作用，发现在轧管后至控冷到600℃相变温度前，奥氏体基体中钒碳氮化物颗粒数量明显增多，基体成分发生低合金化及低碳化，成分空间分布明显均匀化，奥氏体中晶内铁素体的形核率显著提高，原奥氏体晶粒被分割，最终获得了细化的铁素体和珠光体的室温组织。在此基础上提出了一种微合金钢的强韧化新观点――奥氏体区中析出相调控奥氏体分解转变，细化终端产品组织。
3对微合金钢强韧化机理的新认识
在研究时发现：在不同工序对应的奥氏体及最终的室温组织中，除了碳氮化物和氧化物外，还出现了一定数量的明显区别于稳定碳氮化物析出粒子的纳米尺度“原子团簇”，碳氮化物与其交互作用，影响纳米“原子团簇”在不同状态的奥氏体和室温组织中的析出质量分数。对纳米“原子团簇”进行能谱分析，发现其含有铁、碳、氧等元素，但这类纳米“原子团簇”的性质不太稳定，在空气中较易被氧化，能谱分析出的氧元素未必是其本身所固有，这与炼钢工艺中严格脱氧要求相吻合。并且因这类纳米“原子团簇”颗粒太小，在进行X射线衍射实验时存在漫反射现象，很难确定其结构，其形成机理及强韧化机制有待进一步深入研究。RDKMisra等研究发现在贝氏体型铁素体中有渗碳体型的铁碳化物，他们对这方面的研究极为关注，指出其形成机理和强韧化机制需要进一步深入系统地分析探讨，但距今为止并没有对此展开详细研究工作。IDiete在研究高强度低碳钢时，发现了含铜元素的纳米“原子团簇”。YLI，DN和BSoenen在微合金钢的微观结构演变研究中，对纳米“原子团簇”的强韧化作用存在着困惑和极大的兴趣。在上海宝钢2050热轧厂对700N/mm2级高强度热轧钢卷组织性能研究中，研究人员也发现了纳米“原子团簇”对钢板的韧性有明显影响。近年来在日本、韩国和国内研究获得的“超级钢”晶粒超细化机制以及HSLA钢的最新研究中对纳米“原子团簇”的作用给予了极大的关注和肯定。科技工作者在对高强度低碳钢和高强度低合金钢的研究中也发现了上述现象，再次印证了该类纳米“原子团簇”的超强韧化作用，认为其在微合金钢中的作用可能比微合金元素析出相本身的作用更大，其结构和析出规律以及作用机理有待进一步研究，这可能会促进现有分析手段和方法的改善。
从上述分析可知，微合金钢中亚稳态纳米“原子团簇”对材料的显著强韧化作用既得到了事实证明，又引起了国内外学术界极大关注，但未见有关其形成机理和强韧化机制的相关报道。
微合金钢属于多种相构成的复杂体系，在热加工过程中，各相之间或固溶体中的各元素之间会发生交互作用，它们是一个有机的整体，单独强调某一种相的作用，是不全面的，很难从本质上揭示微合金钢的强韧化机制，所以对这类亚稳态纳米“原子团簇”作用的研究，应突破其沉淀强化和细晶强化的相强化机制范畴，从整体上探究其更深一层的作用机理。
4试验分析
下图为Al5Fe2合金液态、固态（300K）及国际标准中的X射线衍射图。
Al5Fe2合金液态a、固态（300K）b和国际标准c的X射线衍射图
该图说明熔体中存在“中程有序”结构，即与其固态中相应的相结构具有密切关系的“原子团簇”，甚至出现完全类似于固态中相应相结构的“原子团簇”。这些“原子团簇”可看作是传递结构信息的遗传因子。既然在液态金属，特别是接近熔点的熔体中，存在类似于其固态的相应相结构，同时鉴于塑性成形过程中的传质仅以扩散方式进行，那么可推测，在微合金钢不同状态的奥氏体基体中，必然存在类似于固态组织中析出相的“原子团簇”，这些“原子团簇”与固态组织中的析出相密切相关。
由以上分析可知，这类纳米“原子团簇”可能是在淬火或塑性变形后的冷却过程中形成的类似于ε-渗碳体的一种“中程有序”结构，对应于不同塑性状态的微合金钢，这些“原子团簇”的本身特性和分布状态不同。生产工序中的碳氮化物形成元素分布状态，与这类纳米“原子团簇”的特性有很大的关系，它们将共同影响下一工序中碳氮化物的析出，并调控所对应元素的分布特性，使微合金钢在塑性变形后的冷却或时效过程中韧性得到大幅度提高，最终决定终端产品的组织和性能。从本质上揭示纳米“原子团簇”的形成机理及其强韧化作用机制，将会对调控钢中微合金的含量、在满足其使用要求的前提下大幅度提高其韧性具有理论指导意义。
在上述思路的指导下，拟将微合金钢进行多次塑性变形和再加热，并保持其中间过程处于稳定或亚稳定奥氏体区，取样后进行化学相分析、X射线小角散射分析和质量衡算，确定纳米“原子团簇”的种类、化学组成与结构、质量分数或体积分数。改进固体与分子经验电子理论（EET）建立纳米“原子团簇”的相界面价电子结构计算模型，计算其相结构因子和界面结合因子。通过计算纳米“原子团簇”与母相不同晶面上的电子密度差，并计算使电子密度保持连续的原子状态组数和其他价电子结构参数，研究纳米“原子团簇”的密度、位向、形貌等析出行为，探讨其形成机理和析出规律。采用三维原子探针断层分析技术，从原子尺度和电子层次上详细分析纳米“原子团簇”与碳氮化物形成元素的空间分布特性的相关性，最后归纳“原子团簇”对元素空间分布调控奥氏体相变的超强韧化新机制。
