纳米材料（Nanomaterials）

领域概述：纳米材料是至少一维尺度处于1～100纳米范围的材料，包括零维的纳米粒子/量子点、一维的纳米线/纳米管、二维的纳米薄膜/石墨烯，以及三维纳米孔材料等。将物质结构控制到纳米尺度，会引发一系列新奇的物理化学效应：表面效应方面，纳米材料的表面原子占比显著增大，表面积与体积之比远高于块体材料，使其在催化、化学反应中表现出更高的活性。例如纳米金颗粒就展现出与宏观金块截然不同的催化性能。量子尺寸效应是另一关键，当电子的德布罗意波长与材料尺寸处于同一量级时，会出现能级离散化等量子限制现象，导致材料的光学、电学性质随尺寸而变。典型例子如量子点，半导体纳米晶粒的尺寸越小，其发光波长越短（能隙变宽），这使得通过控制颗粒尺寸即可调整发光颜色，这一特性已被应用于高色域显示和生物成像。小尺寸效应还体现在力学上：纳米结构中缺陷尺寸受限，某些情况下材料强度会随着晶粒/线径减小而提高（所谓“尺度强化”），如纳米晶金属的硬度可超过常规粗晶材料。需要指出，纳米材料并非仅指单质或简单化合物的纳米形式，各种纳米复合材料（如核壳结构、纳米级异质结）也十分常见。

制备与表征：纳米材料的制备方法主要分“自上而下”和“自下而上”两种策略。“自上而下”指从块体材料出发，通过物理加工减小尺寸，如纳米光刻、刻蚀技术用于制作纳米电子器件；球磨等机械方法可制备纳米晶粉末。但此法往往面临精度和缺陷控制的挑战。“自下而上”则是从原子/分子单元出发构筑纳米结构，例如化学气相沉积 (CVD) 能生长高质量的石墨烯薄膜和碳纳米管；溶液化学合成（溶胶-凝胶法、热注入法等）被广泛用于制备各种金属和半导体纳米粒子；自组装技术则利用分子间相互作用，让纳米单元按规则排布形成有序结构，如二阶结构的介孔材料。对于纳米材料，常规表征手段需要延伸：高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 是观察纳米晶结构的利器；扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM) 可以直接在实空间“看到”表面原子排列或纳米形貌；X 射线小角散射 (SAXS) 用于分析纳米尺度孔洞或颗粒分布；光谱技术如紫外-可见吸收、荧光光谱用于量化量子点的能级和带隙；同时，由于纳米材料尺寸小、比表面积高，表面化学分析（XPS、红外等）也尤为重要。 

应用前景：纳米材料的独特性质带来了广泛应用前景。在电子领域，硅基集成电路已进入十纳米尺度制程，纳米线晶体管、新型二维半导体等是未来电子元件的小型化方向；能源领域，纳米结构电极材料提升了锂电池、电催化的性能，比如纳米硅负极显著提高电池能量密度，纳米催化剂降低燃料电池铂用量；医学上，纳米载药系统和诊疗探针（如磁性纳米粒子用于MRI成像和热疗）正在革新传统治疗手段；环境方面，纳米光催化剂可降解污染物，纳米膜用于高效水过滤和海水淡化。需要注意的是，纳米材料在应用中也带来新的问题，例如纳米颗粒的环境健康影响、规模制备的一致性和成本等都是当前研究的热点。

参考学习资料

1) 课程 / 公开课

Coursera（CityU Hong Kong）：Introduction to Nanoscience and Nanotechnology
纳米科学入门 MOOC；介绍量子尺寸效应、典型纳米结构（量子点、纳米线、石墨烯）、自组装与纳米加工；配动画演示与案例。
链接：https://www.coursera.org/learn/nanotech（如已下线，可于平台检索历史档案）。

学堂在线：纳米材料表征与应用（东北大学）
中文课程；聚焦电子显微镜、扫描探针、小角散射等纳米表征手段及其在能源/催化中的应用；包含案例与讨论题。
链接：https://www.xuetangx.com/（平台目录检索）。

2) 教材 / 书籍

World Scientific（原 ICL）：Nanostructures and Nanomaterials—Synthesis, Properties and Applications（Guozhong Cao，2e，2011）
系统论述纳米材料的合成（溶液化学、物理沉积、模板法等）、结构与性质，以及在光电、催化、力学中的应用案例；配方程、图示与参考文献。
链接：https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/p811。

顶级期刊： 包括 Nature Nanotechnology、Nano Letters 等。