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第1章 纳米科学与纳米技术 1

1.1 纳米世界里的大科学 1

1.1.1 人类对自然界的认识 1

1.1.2 纳米科技研究的尺度 1

1.1.3 介观领域中的纳米科技 2

1.1.4 纳米材料和纳米结构 2

1.1.5 纳米材料的特征 4

1.1.6 纳米科技研究的领域 5

1.1.7 纳米科技的未来 7

1.1.8 纳米科技发展中的重要事件 9

1.2 纳米物理学 10

1.2.1 新兴的纳米物理学 10

1.2.2 纳米器件构筑 12

1.2.3 纳米器件的挑战 14

1.2.4 纳米放大器 16

1.2.5 诺贝尔物理学奖与纳米科技 16

1.3 纳米电子学 18

1.3.1 纳米电子器件 18

1.3.2 机器小型化 19

1.3.3 纳米线 20

1.3.4 分子器件和纳米器件的连接 21

1.3.5 大数定律 22

1.3.6 DNA计算图像说明 22

1.4 纳米科技与医学 24

1.4.1 纳米有机分子量子点的荧光 24

1.4.2 形形色色的复合体 25

1.4.3 生物纳米技术 27

1.4.4 原子力显微镜 30

1.4.5 奇异的有机树形聚合物 30

1.5 微型纳米机器制造 31

1.5.1 微型纳米机器制造技术的未来 31

1.5.2 纳米机器和纳米装配机 33

1.5.3 分子复制机 33

1.5.4 模拟宏观机器的纳米机器 35

1.5.5 超越生物进化 37

1.5.6 纳米科技的应用前景 38

1.6 微观世界中的纳米结构 41

1.6.1 纳米结构的提出 41

1.6.2 纳米结构组装体系 41

1.6.3 纳米结构构筑方法 42

1.6.4 微观世界中计算机芯片的建造 43

1.6.5 纳米芯片建造技术 44

1.6.6 操纵原子和分子 47

1.6.7 “从上到下”法和“从下到上”法 49

1.6.8 纳米结构体系与新量子效应器件 50

1.6.9 纳米结构制造的未来 51

第2章 自然界中的纳米结构与纳米材料 53

2.1 自然界中的纳米科学 53

2.1.1 自然界中的纳米现象 53

2.1.2 从微米到纳米科学的发展 53

2.2 生物纳米结构与纳米仿生材料 55

2.2.1 生物纳米材料中的多尺度有序性和功能 55

2.2.2 天然纳米材料的层次有序性 55

2.3 生物纳米材料中有机相的多功能性 60

2.3.1 有机相对力学性能的贡献 60

2.3.2 矿物分子直接自组装 61

2.3.3 无机相与有机相 62

2.3.4 传感、制动和响应 63

2.3.5 动原蛋白、丝纤维和微管 64

2.3.6 制动蛋白的运动 66

2.3.7 纳米结构和肌肉响应 67

2.4 自然界中的纳米材料 69

2.4.1 生物材料的力学性能 70

2.4.2 生物材料的光学性能 70

2.4.3 生物的特殊器官：复眼和陷窝器等 71

2.4.4 生物体纳米层次的组装 72

2.4.5 生物体纳米磁性材料 73

2.5 纳米仿生材料科学 74

2.5.1 碳酸钙的矿化作用 74

2.5.2 螺旋状碳酸钡的矿化作用 75

2.5.3 模板的协同作用 76

2.5.4 仿生光子晶体 77

2.5.5 人造光学系统 77

2.5.6 仿生功能材料 78

2.5.7 仿生材料的未来 78

2.6 病毒的纳米结构 79

2.6.1 天花病毒 79

2.6.2 SARS病毒 80

2.6.3 甲型H1N1流感病毒 80

2.6.4 艾滋病病毒 81

2.6.5 磁敏感菌的磁力 82

2.7 自然界中的矿物纳米结构 83

2.7.1 纳米矿物材料和纳米高新矿物材料 83

2.7.2 与纳米科学密切相关的矿物学现象 84

2.7.3 现代晶体化学研究 88

2.7.4 自然环境中的多元配合物 91

2.8 生命起源中的纳米尺度进程 91

2.8.1 太阳与地球的形成 92

2.8.2 地球上生命的形成 92

2.8.3 地球上生命的起源学说 92

第3章 纳米材料的结构及物理、化学性质 94

3.1 物质结构对称新理论 94

3.1.1 对称性的哲学定义 94

3.1.2 对称性的范围 95

3.1.3 对称性的尺度 95

3.1.4 简单对称性和复合对称性 95

3.1.5 对称性与对称性理论 96

3.2 新兴的纳米材料科学 100

3.2.1 纳米材料科学的发展 100

3.2.2 纳米材料的维数 101

3.2.3 纳米材料的表征方法 102

3.2.4 纳米级的表面和界面 103

3.2.5 晶体中的缺陷 104

3.3 纳米物质结构单元 105

3.3.1 团族 105

3.3.2 人造原子 106

3.3.3 纳米微粒 107

3.4 纳米微粒的基本理论 108

3.4.1 电子能级的不连续性 108

3.4.2 量子尺寸效应 114

3.4.3 小尺寸效应 115

3.4.4 表面效应 115

3.4.5 宏观量子隧道效应 117

3.4.6 库仑堵塞与量子隧穿 118

3.4.7 介电限域效应 119

3.5 纳米微粒的物理特性 119

3.5.1 热学性能 119

3.5.2 磁学性能 121

3.5.3 光学性能 126

3.5.4 纳米微粒悬浮液和动力学性质 131

3.5.5 纳米微粒表面敏感特性 133

3.5.6 光催化性能 133

3.6 纳米微粒的化学特性 137

3.6.1 吸附 137

3.6.2 纳米微粒的分散与团聚 140

3.6.3 流变学 143

第4章 纳米固体材料的微结构 149

4.1 纳米固体的结构特点 149

4.2 纳米固体界面的结构模型 150

4.2.1 类气态模型 150

4.2.2 有序模型 151

4.2.3 结构特征分布模型 151

4.2.4 纳米微粒多重分数维准晶结构模型 151

4.3 纳米固体界面的研究方法 152

4.3.1 X射线研究 152

4.3.2 纳米界面结构的电子显微镜观察 154

4.3.3 纳米界面结构的穆斯堡尔谱 154

4.3.4 纳米固体结构的内耗研究 157

4.3.5 正电子湮没 159

4.3.6 纳米材料结构的核磁共振 165

4.3.7 拉曼光谱 168

4.3.8 电子自旋共振（ESR） 172

4.3.9 纳米材料结构中的缺陷 180

4.3.10 康普顿轮廓法 186

第5章 纳米结构组装体系 192

5.1 人工纳米结构组装体系 192

5.1.1 超微型开关 192

5.1.2 发光可调制性 193

5.1.3 量子点磁开关 193

5.1.4 纳米结构组装 193

5.2 纳米结构自组装和分子自组装合成 193

5.2.1 胶体晶体的自组装合成 194

5.2.2 金属胶体自组装纳米结构 195

5.2.3 多孔纳米结构的自组装合成 197

5.2.4 半导体量子点阵列体系（膜）的合成 197

5.2.5 分子自组装合成纳米结构 198

5.3 厚膜模板合成纳米阵列 199

5.3.1 厚膜模板的制备和分类 199

5.3.2 纳米结构的模板合成方法 201

5.4 介孔固体和介孔复合体的合成 206

5.4.1 介孔固体的合成 206

5.4.2 介孔固体和介孔复合体的荧光增强效应 211

第6章 纳米微粒的制备与表面修饰 219

6.1 纳米微粒的气相制备方法 219

6.1.1 气体冷凝法 219

6.1.2 活性氢-熔融金属反应法 220

6.1.3 溅射法 221

6.1.4 流动液面上真空蒸镀法 221

6.1.5 电加热蒸发法 222

6.1.6 混合等离子法 223

6.1.7 激光诱导化学气相沉积法 224

6.1.8 爆炸丝法 225

6.1.9 化学气相凝聚法和燃烧火焰-化学气相凝聚法 226

6.2 纳米微粒的液相制备方法 228

6.2.1 沉淀法 228

6.2.2 喷雾法 234

6.2.3 水热法（高温水解法） 234

6.2.4 溶剂挥发分解法（冻结干燥法） 235

6.2.5 溶胶-凝胶法（胶体化学法） 236

6.2.6 辐射化学合成法 238

6.3 纳米微粒的固相制备方法 239

6.3.1 热分解法 240

6.3.2 固相反应法 244

6.3.3 火花放电法 245

6.3.4 溶出法 246

6.3.5 球磨法 246

6.4 纳米微粒表面修饰 257

6.4.1 纳米微粒表面物理修饰 257

6.4.2 纳米微粒表面化学修饰 258

第7章 金属纳米材料晶体学 261

7.1 纳米晶体 261

7.2 纳米晶体的多面体形态 262

7.2.1 四面体纳米晶体 263

7.2.2 类立方体纳米晶体 264

7.2.3 八面体和平截八面体纳米晶体 265

7.2.4 孪晶和堆垛层错 266

7.2.5 二十面体和十面体粒子 268

7.2.6 纳米棒、纳米线、纳米管和纳米球 269

7.2.7 纳米晶体的表面缺陷 270

7.2.8 纳米晶体的表面重构 272

7.2.9 超微粒的幻数 272

7.3 纳米晶体的自组装 274

7.3.1 纳米粒子的表面钝化 275

7.3.2 纳米粒子间的键合 276

7.4 粒子的溶液相自组装 277

7.4.1 纳米金属晶体 277

7.4.2 纳米半导体晶体 278

7.4.3 磁性纳米金属晶体 280

7.4.4 纳米氧化物晶体 281

7.5 纳米自组装技术 282

7.5.1 单分散纳米晶体的尺寸 282

7.5.2 固定尺寸／相的纳米晶体粒子的组装 283

7.5.3 纳米晶体自组装的生长机理 284

7.6 自组装纳米晶体的性能 285

7.7 模板辅助纳米自组装 287

7.7.1 纳米孔道阵列辅助自组装 287

7.7.2 纳米自然结构在自组装中的应用 288

7.7.3 碳纳米管阵列的催化辅助生长 288

7.8 纳米微粒多重分数维准晶结构模型 289

7.8.1 准晶结构研究 289

7.8.2 具有5次对称性的准晶结构模型 290

7.8.3 二维准晶结构几何特征 292

7.8.4 二维准晶结构模型 294

第8章 碳纳米球和碳纳米管 300

8.1 C60、Cn及其衍生物研究现状 300

8.1.1 碳纳米球和碳纳米管的发现 301

8.1.2 碳纳米球和碳纳米管的研究 301

8.2 碳纳米球和碳纳米管的结构及特性 304

8.2.1 碳纳米球（C60）分子、晶体的结构及特性 304

8.2.2 碳纳米管的结构与特性 305

8.2.3 多层碳纳米球的结构与特性 305

8.3 自然界的富勒烯碳球和碳管 306

8.3.1 富勒烯碳球和碳管的形成条件 306

8.3.2 自然界中富勒烯碳球、碳管和碳洋葱的存在性 306

8.3.3 研究碳纳米球、碳纳米管和碳洋葱的地质学意义 307

8.4 碳纳米管——电子器件的新秀 307

8.4.1 螺旋状的碳纳米管 308

8.4.2 纳米电路 309

8.4.3 纳米管场致发射 310

8.5 纳米管的制备方法 311

8.5.1 火花法 312

8.5.2 热气法 312

8.5.3 激光轰击法 313

8.6 纳米管非电子器件的应用 313

8.6.1 化学和遗传学探针 313

8.6.2 机械存储器 313

8.6.3 纳米钳子 314

8.6.4 超灵敏传感器 314

8.6.5 氢和离子的储存 315

8.6.6 清晰的扫描显微镜 315

8.6.7 超硬材料 315

8.7 碳纳米管的性质——向极限推进 316

8.7.1 碳纳米管的性质 316

8.7.2 高新纳米材料——碳纳米管 316

8.8 新型碳纳米管 319

8.8.1 多种结构形式的碳纳米管 319

8.8.2 针尖状碳纳米管 320

8.8.3 竹节状碳纳米管 320

8.8.4 掺氮碳纳米管 321

第9章 石墨烯的制备、功能化及其应用 323

9.1 碳元素及其石墨烯材料 324

9.2 石墨烯的制备方法 326

9.2.1 机械分离法 326

9.2.2 CVD气相沉积法 326

9.2.3 加热SiC法 327

9.2.4 化学法 328

9.3 石墨烯带 332

9.4 石墨烯的修饰 334

9.4.1 共价键修饰 334

9.4.2 石墨烯的非共价键修饰 337

9.4.3 金属及金属氧化物修饰石墨烯 339

9.5 功能化石墨烯的相关应用 340

9.5.1 聚合物复合材料 340

9.5.2 光电功能材料与器件 341

9.5.3 生物医药应用 342

9.6 纳米石墨烯的未来 344

第10章 计算机中的纳米芯片 345

10.1 第一代纳米芯片 345

10.2 计算机全力加速 345

10.3 缩小计算机线宽 346

10.4 新老计算机的结合 349

10.5 计算机纳米芯片制造 349

10.5.1 微处理器的创新性能 349

10.5.2 场效应晶体管 349

10.5.3 芯片制造的基本工艺 350

10.5.4 纳米芯片切割 352

10.5.5 原子层沉积法 353

10.5.6 极紫外光光刻法 353

第11章 DNA联姻纳米技术 355

11.1 DNA纳米技术概述 355

11.2 分枝状DNA 356

11.3 系列六臂节点组成三维结构的分子晶体 359

11.4 棒状条组成立方体DNA分子模型 361

11.5 稳固的DNA序列 362

11.6 纳米机械 363

11.7 DNA用做触发器 365

11.8 对未来的展望 367

第12章 粘土矿物及其纳米复合材料 368

12.1 粘土矿物的晶体结构 368

12.1.1 粘土矿物的分类和化学组成 368

12.1.2 主要粘土矿物的晶体结构 369

12.2 粘土矿物的性质及胶体化学 378

12.2.1 粘土矿物的电性 378

12.2.2 粘土的水化作用 382

12.2.3 粘土矿物的吸附特性 385

12.2.4 阳离子固定作用 388

12.2.5 粘土-有机物的相互作用 388

12.2.6 粘土胶体化学 389

12.3 纳米复合的溶胶-凝胶法 400

12.3.1 制备金属纳米颗粒的方法 400

12.3.2 制备纳米稀土的方法 401

12.3.3 制备高分子有机-无机纳米功能材料的方法 402

12.4 插层反应法 403

12.4.1 插层方法的指标与标准 404

12.4.2 层间插入法的要点 406

12.4.3 层间插入型纳米复合材料制备方法的改进 407

12.4.4 插层交换制备处理粘土 408

12.5 插层复合方法 409

12.5.1 层状化合物的插层复合方法 409

12.5.2 插层复合纳米前驱体负载催化剂的制备与应用 411

12.5.3 插层复合纳米前驱体负载聚烯烃催化剂 414

参考文献 418