维的超晶格。因为组装过程中分子识别作用较弱，所以这类组装过程都较难控制，对组装条件的要求非常严格。但胶态晶体法可以组装成三维超晶格，这也是其他方法很难做到的。
金属胶体的自组装：经表面处理后的金属胶体表面嫁接了官能团，它可以在一定环境下形成自组装纳米结构。例如1996年美国普度大学的科学家首次将表面包有硫醇的纳米Au微粒形成悬浮液，该悬浮液在高度取向的热解石墨，MoS2或SiO2衬底上构筑密排的自组织长程有序的单层阵列结构，Au 颗粒之间通过有机分子链连接起来。再例如2000年IBM的科学性家利用类似的方法在油酸等表面活性剂存在的环境中还原铂盐并分解羰基铁，制得到铂，铁合金纳米粒子。这些合金粒子组分稳定，尺寸由3到10nm 可调。 在表面活性剂的作用下，它们自组织成三维的超晶格结构。此外，利用自组装方法也可以将金属纳米粒子嫁接到DNA的大分子上，这种DNA指导下的自组装是一种有潜力的纳米装配。通过电场控制的活性的DNA微阵列可能会用于纳米制作。这些DNA分子自身有可编程的自组装特性，并且可派生出大量的分子、电子和光子部件。由于表面两种互补DNA链相接，然后进一步组装成纳米粒子超晶格。DNA分子也可以与大的纳米结构连接，这些纳米结构可以是有机粒子、纳米管、纳米结构和单晶硅表面。原则上，活性的微电子阵列和DNA修饰的元件能使科学家和工程师们直接在硅片或有限的半导体结构中自组装二维和三维的分子电路及其装置。
半导体胶体粒子的自组装：Bawendi等将包覆TOPO（三辛基氧膦）和TOP（三辛基膦）的CdSe纳米团簇在一定温度和压力下溶解于辛烷和辛醇的混合溶液中，然后降低压力使沸点较低的辛烷逐渐挥发，由于包覆TOPO和TOP的CdSe 纳米团簇在辛醇中溶解度较小，就使得纳米团簇的胶态晶体从溶液中析出。经高分辨电镜分析，这样组装得到的超晶格其有序排列围可达数微米尺寸。
模板法：是利用纳米团簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的组装，由于选定的组装模板与纳米颗粒之间的识别作用，而使得模板对组装过程具有指导作用，组装过程更完善。可应用的模板有固体基质、单层或多层膜，有机分子或生物分子等。我们知道胶体具有组装的特性，而纳米团簇又很容易在溶剂中分散形成胶体溶液。因此只要具备适合的条件，就可以使纳米团簇组装起来形成有规则的排布。 一、固态高分子膜模板 微米量级粒子的三维组装
利用电子束在高分子薄膜上打出规则排布的孔洞。这些洞的深度和直径与被组装粒子相匹配。将这些高分子薄膜作为组装模板，对分散于溶液中的微米粒子进行组装，通过适当混合溶剂的选择和离子强度的调节而使得粒子一层一层沉积在模板上形成三维有序的结构。 美盛顿大学的夏幼南教授进一步发展了该方法。
其采用的主要组装步骤：首先在玻璃衬底上制出两维的圆柱形孔洞的阵列，两块玻璃构成平行的小室，然后将分散了球形胶体粒子的溶液在其中缓慢浸湿，将单分散的微球限制到空洞中。通过调节孔洞和球径的比值D/d，以及孔洞高度H与球径d之比，实现孔洞中微球种类与数目的调控。 二、气泡做模板
此外，还有1、沸石分子筛做模板。将金属和半导体粒子组装在分子筛中有序的孔道或孔洞中。（尺寸太小）2、MCM-1或MCM-8等介孔材料做模板。MCM可分为两类材料：ⅰ有序介孔阵列：长度为纳米量级，ⅱ有序介孔通道阵列：长度为宏观尺度。 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。
答：①模板法组装纳米结构：高分子模板技术与溶胶-凝胶技术结合起来可制出金属氧化物的纳米图案。②L-B技术表面压力组装纳米棒阵列：通过表面力的递增，使原本无序排列的各向同性的纳米棒首先排列成二维向列性排布，继而排列成二维近晶性的有序结构，多层这种二维结构叠加在一起，最终得到三维排列的有序纳米棒的阵列，3D－向列。③电场驱动组装：在两电极间滴加一滴纳米棒液体，溶液中的纳米线在电场作用下自组装排列成平行的纳米线阵列。④催化剂的图案图化。⑤其他方法：加热ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳衬底或Si衬底上生长分级纳米结构。以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多晶Al2O3衬底上分别得到了ZnO螺旋桨状纳米结构
ZnO纳米线直流发电机
纳米管收音机
15.简单讨论纳米材料的磁学性能。
答：顺磁体：指磁化率是数值较小的正数的物体，它随温度T成反比关系。χ=μ0 C/T C：常数 原子磁矩不为零，具有永久磁矩
铁磁体：这类固体的磁化率是特别大的正数，在某个临界温度Tc以下纵使没有外磁场，材料中会出现自发的磁化强度，在高于Tc的温度它变成顺磁体。其磁化率服从居里—外斯定律：χ=μ0C/(T-Tc)
抗磁体：指磁化率是数值较小的负数的物体。 M =χH 抗磁性物质在外磁场中感生一磁矩，其方向于外磁场方向相反
反磁体：指磁化率是数值较小的正数的物体。在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关，高于该温度其行为为顺磁性。同一晶格中，电子磁矩是同向排列，不同晶格中电子磁矩反向排列，两个晶格中自发M大小相同方向相反，整个晶体M = 0
纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应，表面效应等使他具有常规材料无法具的特异性：① 超顺磁性：纳米材料的尺寸达到某一临界值时进入超顺磁状态。造成这种超顺磁性的原因为：在小尺寸条件下，当各项性能减小到于热运动可比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上，易磁化方向无规律的变化，结果导致超顺磁的出现；②矫顽力：纳米微粒的尺寸高于超顺磁临界尺度时出现较高的矫顽力，随着粒径减小而增加，随着温度的升高而下降；③居里温度：居里温度是磁性材料的重要参数，实验表明，随着磁性薄膜厚度的减小，居里温度在不断下降。对于纳米微粒而言，由于小尺寸效应和表面效应导致纳米粒子的本征和禀的磁性变化，因此具有较低居里温度。④磁化率特性：纳米微粒的磁性和所含的总电子数有密切关系。电子数的奇偶就对磁化率影响各不相同。例如在高场下为包利顺磁性，纳米磁性的磁化率是常规金的20倍。 16.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理
答：十二烷硫醇的Ag粒子在庚烷中将其分散，这些粒子尺寸分散性比较大，为了降低这种多分散性，需要采用尺寸选择沉淀法。
具体做法：①包覆型 Ag粒子在己烷中具有高的可溶性，而在吡啶中的可溶性差。先将包覆性Ag离子溶解在己烷中；
②如果将吡啶缓慢加到含有包覆型 Ag粒子的己烷中，则当吡啶达到某一给定体积时，溶液将出现浑浊，并有沉淀出现，这相应于最大粒子的凝聚。这些粒子之间的得瓦耳斯力比较大；
③离心分离沉淀，将大粒子收集起来，小粒子留在悬浮液中；（离心的转速要适当） ④将大粒子放入己烷中再分散形成均质清澈透明液体。
⑤将得到的溶液滴一滴到TEM的碳栅极，可得非常完整的组织。经高倍放大后，可看到，纳米粒子有两种不同的对称性排列。 17.简述光子晶体的概念及其结构。
答：将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带，光子能带间出现的带隙叫做光子带隙，具有这种光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体。
光子晶体结构分为一维、二维和三维的。胶体晶体，反蛋白结构和金刚石结构的光子晶体，一维介电棒组成的层状结构光子晶体。
光子晶体的基本特征：具有光子带隙，频率落在带隙中的电子波是禁止传播的。
18.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性能。
答：纳米结构单元：0维：团族、纳米颗粒、八面体、三角形、多面体等； 一维：纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管和纳米锥等；二维：纳米片等。
复杂的纳米结构：嵌段共聚物有序的自组装成为超分子纳米结构；多层膜；自组装形成管状、球状、层状和蘑菇状的结构。在Ni基板上安排Xe原子组合成形成最小的文字IBM、用48个铁原子围成的量子围栏、在硅晶面上形成的最小文字—中国、利用AFM对DNA生物分子进行操作在云母板上写出了三个字—DNA、铂表面上由CO分子排成的纳米人、蘑菇形状的高分子聚合体、胶体自组装生成的PtFe纳米粒子的超晶格、组装一维纳米线交叉网络。
纳米器件：ZnO纳米器线直流发电机、光子晶体、纳米棒逻辑敏电路、纳米管收音机、纳米线染料敏化太阳能电池。 19.简单论述单电子晶体管的原理。 答：单电子晶体管是依据库伦堵塞效应和单电子隧道效应的基本原理设计和制造的一种新型的纳米结构器件。
如图：在两个电极中间的绝缘层的中间再作一个电极Ⅱ，使之带半个电荷，两边的电极就会感应半个符号相反的电荷，系统将成为两个如图c的状态。因此可以通过电极Ⅱ上电压的变化来控制隧穿效应的发生。
纳米材料参考答案
