Toward Functional Nanomaterials

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出版者:
作者:Wang, Zhiming M. 编
出品人:
页数:496
译者:
出版时间:2009-6
价格:$ 224.87
装帧:
isbn号码:9780387777160
丛书系列:
图书标签:
  • 纳米材料
  • 功能材料
  • 纳米技术
  • 材料科学
  • 化学
  • 物理
  • 自组装
  • 催化
  • 传感器
  • 生物医学
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具体描述

Through advanced characterization and new fabrication techniques, nanostructured materials have become a central focus of investigation in materials science, chemistry, physics, and engineering. Nanomaterials with a range of morphologies and compositions have been shown to display varied functionality in areas such as electronic structure, optical effects, and spin dynamics. This book presents a detailed overview of recent research developments on functional nanomaterials, including synthesis, characterization, and applications. A series of chapters provides state-of-the-art information on oxide nanoparticles, metal nanostructures, semiconductor nanocrystals, and polymer nanocomposites.

《面向功能性纳米材料》 一、 引言 在21世纪科技飞速发展的浪潮中,纳米材料以其独特的尺寸效应和表面效应,展现出前所未有的应用潜力和研究价值。这些在原子、分子尺度上精确构筑的物质,正深刻地改变着我们对材料的认知,并为各个领域带来革命性的突破。《面向功能性纳米材料》一书,正是聚焦于这一前沿领域,旨在系统、深入地探讨纳米材料的设计、制备、表征及其在特定功能领域的应用。本书不拘泥于单一的材料类型或应用方向,而是从更宏观、更具前瞻性的视角出发,梳理当前纳米材料研究的核心问题,展望未来的发展趋势,并为读者提供一套理解和开发功能性纳米材料的理论框架和实践指导。 二、 核心内容概述 本书的核心内容围绕“功能性”展开,即如何通过对纳米材料的结构、组成、形貌等进行精确调控,使其具备特定的、可预期的物理、化学、生物等性能,并最终服务于实际应用。具体而言,本书将深入探讨以下几个关键方面: 1. 纳米材料的构筑策略与精密设计: 原子、分子尺度上的精准控制: 详细介绍各种化学合成方法,如溶胶-凝胶法、水热/溶剂热法、模板法、自组装等,以及物理方法,如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等,如何实现对纳米材料尺寸、形貌(纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米片、多孔纳米结构等)的精确调控。 结构-性能关系的基础理论: 深入阐述量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等纳米材料独有的物理现象,以及这些效应如何影响材料的电子、光学、磁学、催化等性能。 多尺度设计与集成: 探讨如何通过设计纳米结构单元的组装、构建复合纳米材料、实现多功能集成,从而赋予材料更复杂的、协同增强的功能。例如,结合不同纳米材料的优点,设计具有特定催化活性位点和高效传质通道的复合催化剂。 2. 功能性纳米材料的设计与制备: 功能导向的材料选择与优化: 强调以最终应用需求为导向,选择合适的基元材料,并通过掺杂、表面修饰、形貌调控等手段,优化其在特定环境下的性能表现。 新型制备技术的探索: 关注新兴的纳米材料制备技术,例如3D打印技术在构筑复杂三维纳米结构中的应用,以及生物模板法在制备仿生纳米材料中的潜力。 可控制备与规模化生产: 探讨如何实现纳米材料的可控制备,保证其性能的一致性,并为后续的规模化生产奠定基础。 3. 纳米材料的先进表征技术: 形貌与结构分析: 详细介绍透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等成像技术,以及X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)等结构表征方法,如何准确获取纳米材料的尺寸、晶体结构、表面化学状态等信息。 性能测试与评估: 探讨针对不同功能的性能测试方法,例如电化学测试、光谱学表征、力学性能测试、生物相容性评估等,如何全面评价纳米材料的功能性。 原位与动态表征: 强调原位表征技术在理解纳米材料在真实工作环境下的变化机制、揭示反应动力学过程等方面的重要性。 4. 功能性纳米材料的典型应用领域(非穷尽性举例): 能源领域: 催化: 纳米催化剂在新能源(如氢能、太阳能)转化、环境保护(如污染物降解)等方面的应用,以及如何通过纳米结构设计提高催化活性、选择性和稳定性。 储能: 纳米材料在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等储能器件中的应用,包括提高能量密度、功率密度和循环寿命。 光伏: 纳米结构在太阳能电池中的应用,如提高光吸收效率、优化电荷传输。 环境领域: 水处理: 纳米吸附剂、纳米膜在去除水中污染物(重金属、有机染料、病原体等)方面的应用。 空气净化: 纳米材料在空气过滤、有害气体吸附和催化降解中的应用。 生物医学领域: 药物递送: 纳米载体在靶向药物递送、提高药物利用率、降低副作用方面的应用。 生物成像与诊断: 荧光纳米颗粒、磁性纳米颗粒在生物标记、疾病诊断中的应用。 生物传感: 纳米材料在检测生物分子、早期疾病筛查中的应用。 组织工程与再生医学: 纳米材料作为支架材料,促进细胞生长与组织修复。 电子与信息技术领域: 传感器: 高灵敏度、高选择性的纳米传感器在气体检测、化学物质识别等方面的应用。 信息存储与处理: 纳米磁性材料、导电纳米材料在下一代存储器件和计算设备中的潜力。 光电子器件: 纳米材料在LED、激光器、光电器件中的应用。 先进制造与材料科学: 增强复合材料: 纳米材料作为增强体,显著提高聚合物、陶瓷、金属基复合材料的力学性能、热性能等。 功能涂层: 纳米涂层在防腐蚀、耐磨损、自清洁、抗菌等方面的应用。 三、 本书特色与价值 《面向功能性纳米材料》一书的显著特色在于其: 系统性与前瞻性: 不仅涵盖了纳米材料研究的基础理论和核心技术,更注重对未来发展趋势的预测与引导,为研究者提供一个宏观的视野。 跨学科融合: 强调纳米材料研究与化学、物理、材料科学、生物学、医学、工程学等多个学科的交叉融合,展现了纳米科学的广阔前景。 应用导向: 深入剖析了纳米材料在各个关键领域的应用实例,强调了从基础研究到实际应用的转化过程。 理论与实践相结合: 既提供了扎实的理论基础,又结合了大量的实验方法与技术介绍,既适合理论研究者,也适合工程技术人员。 面向未来: 鼓励读者积极探索新的材料体系、新的构筑策略和新的应用场景,推动纳米材料科学的持续创新。 四、 结论 《面向功能性纳米材料》是一部集理论深度、技术广度与应用前景于一体的专业著作。它不仅是纳米材料领域研究人员的宝贵参考书,也是相关领域工程师、博士后、研究生以及对纳米技术感兴趣的科学爱好者深入了解这一变革性技术的理想读物。通过本书的学习,读者将能更清晰地认识到功能性纳米材料的巨大潜力,掌握设计、制备与应用的关键技术,并为未来纳米科技的发展贡献力量。

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读后感

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用户评价

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这本书的封面设计真是引人注目,那种深邃的蓝色背景与中央那个仿佛在不断闪烁的纳米粒子结构图形成了鲜明的对比,立刻就抓住了我的眼球。初翻开来,我就感觉到一股严谨的学术气息扑面而来,但令人惊喜的是,作者的文字功底非常扎实,即使是面对那些复杂的晶体结构和量子效应,也能用一种近乎诗意的语言进行描述,这对于我这种并非专业背景的读者来说,无疑是一大福音。我特别欣赏它在引言部分对“功能性”这一概念的界定,它不仅仅停留在材料的物理或化学特性上,更是深入探讨了如何通过精妙的尺寸调控和表面修饰,赋予材料在特定环境下的“目的性行为”。比如,它对等离激元纳米材料在光热转换效率上的突破进行了详尽的阐述,那种层层递进的逻辑推导,让我仿佛亲眼目睹了科学家们是如何从理论猜想到实验验证的全过程。书中收录的那些最新研究案例,尤其是关于自组装纳米机器人的部分,展示了前沿研究的无限潜力,它不仅仅是知识的堆砌,更像是一张通往未来科技蓝图的导览图,让人对接下来的阅读充满期待。

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这本书的排版和插图质量简直是教科书级别的典范。很多关于纳米结构衍射图谱和透射电子显微镜(TEM)图像的展示,细节清晰到令人发指,那些高分辨的原子排布图,即便是通过普通的纸张印刷,也能清晰地看到晶格的扭曲和界面能的分布。这在很多同类书籍中是很难得的,通常为了控制成本,这部分内容往往被简化或模糊处理,但这本书显然在这方面毫不吝啬投入。此外,作者在处理数学模型时也展现了极高的技巧,复杂的傅里叶变换和薛定谔方程的应用被巧妙地嵌入到具体的物理情境中去解释,而非单纯地罗列公式,使得那些原本令人望而生畏的数学工具,瞬间成为了理解材料行为的有力拐杖。这种对视觉和逻辑清晰度的极致追求,极大地降低了复杂概念的理解门槛,让读者可以更专注于材料本身的“功能”如何被这些精密的数学语言所描述和预测。

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读到关于新型催化剂的部分时,我必须承认,我被作者对细节的执着深深地震撼了。书中并未简单罗列已有的催化剂类型,而是花了大量的篇幅去剖析原子层级上的缺陷工程如何影响活性位点的空间构象与电子态,这种微观尺度的洞察力是决定材料性能优劣的关键。我记得其中有一章详细对比了不同形貌的金属氧化物纳米颗粒在二氧化碳还原反应中的选择性差异,作者没有使用那种枯燥的表格数据,而是通过精妙的示意图和生动的比喻,将那些抽象的能垒和活化自由能的变化展现得淋漓尽致。更难能可贵的是,作者在讨论中总是保持着一种批判性的视角,指出当前研究中的一些局限性和尚未解决的瓶颈问题,这使得整本书读起来绝非一面倒的赞美之词,而是充满了真诚的学术探讨精神。这种深入骨髓的专业性和不回避挑战的态度,极大地提升了这本书的参考价值,让它超越了一般的科普读物,真正成为了一个扎实的进阶参考资料。

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这本书的结构组织得非常巧妙,它不像传统的教科书那样僵硬地划分章节,而是更像是一次精心策划的探险之旅。从宏观的材料设计理念出发,逐步深入到微观的量子调控机制,再过渡到实际应用的工程挑战,整个过程一气呵成,浑然天成。我尤其喜欢它在每个章节末尾设置的“延伸思考”环节,那里面提出的问题往往直指当前研究的热点与难点,激发读者主动去查阅更深层次的文献,这对于自我驱动型的学习者来说,简直是量身定制的工具。例如,在讨论生物相容性材料时,作者不仅关注了表面的化学惰性,还引入了免疫原性评估的最新标准,这种跨学科的整合能力,显示出作者深厚的学术视野。阅读过程中,我感觉自己像是在与一位经验丰富、学识渊博的导师进行一对一的交流,他总能在你感到困惑时,精准地递上一把解决问题的钥匙,让你豁然开朗,继续向前探索。

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总的来说,这本书给我的感受是一种强烈的“前瞻性”和“实用性”的完美结合。它没有沉溺于对过去经典理论的复述,而是将笔墨聚焦于那些正在发生、且有望在未来十年内改变我们生活的纳米技术。例如,书中对“自修复”和“智能响应”功能材料的讨论,已经超越了实验室研究的范畴,开始触及大规模生产的可行性与成本控制等工程现实问题。这种将基础科学研究与工程应用紧密结合的写作风格,使得这本书既能满足理论研究者的深度需求,也能为材料工程师提供切实可行的设计思路。读完之后,我感到自己的知识结构得到了极大的拓展和更新,不仅仅是对现有纳米材料有了更深刻的认识,更是对未来材料科学的发展方向有了一种更加清晰、也更加令人振奋的预判。这是一本值得反复研读、并时常翻阅的宝贵参考书。

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