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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DNA356

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