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第3节 液晶、纳米材料与超分子
联想 · 质疑
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固态、液态、气态是物质三种最常见的聚集状态。除此之外,在生活中你还见到过其他物质的聚集状态吗?
1.知道物质除有三种基本的聚集状态外,还有液晶、纳米材料、超分子等其他聚集状态;
2.知道液晶、纳米材料和超分子的结构与性质的关系。
资料在线
液晶的发现
1888年,奥地利植物学家莱尼茨尔观察到胆甾醇在加热过程中会先变成浑浊液体,继续加热后又成为透明液体。德国物理学家莱曼共同研究了
这一现象,发现这类浑浊状态的物质外观上虽然呈液态,但在不同方向上对光的折射率不同,即显示出各向异性晶体所特有的双折射性。基于此物质同时具备“液”体和“晶”体性质,将其命名为“液晶”。
图1 美丽的液晶光学织构
一、液晶
1.定义:
在一定的温度范围内既具有液体的可流动性,又具有晶体的各向异性(折射率、磁化率、电导率等)的物质。
2.结构特点:
液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列,由此在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质。
3.液晶性质及用途:
液晶本身不发光,但在电场作用下分子取向会沿电场方向扭曲,通过改变电压而改变液晶旋光状态,可以调控通过液晶盒的光强,再经过彩色滤光片最终组成我们看到的彩色图像。
上偏光片
彩色滤光片
液晶层
下偏光片
液晶显示的驱动电压低、功率小
联想 · 质疑
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纳米材料具有某些与传统材料明显不同的特征,如纳米陶瓷可以具有像金属一样的柔韧性,碳纳米管的强度远超过钢,纳米金居然可以溶于水,为什么纳米材料具有如此神奇的功能
纳米陶瓷膜
碳纳米管
纳米金溶液
二、纳米材料
1.结构特点:
由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。通常,纳米颗粒内部具有晶状结构,原子排列有序,而界面则为无序结构。因此,纳米材料具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。
2.性能:
纳米材料的颗粒很小和处于界面的原子所占比例较高,使得纳米材料在光学、声学、电学、磁学、热学、力学、化学反应等方面完全不同于由微米量级或毫米量级的结构颗粒构成的材料。
3.应用:
(1)纳米陶瓷
纳米陶瓷不仅保留了陶瓷硬度高、强度高的特点,其韧性和可加工性也显著增强,甚至具有金属一样的柔韧性。
(2)碳纳米管
碳纳米管不仅纤维长、韧性高,而且其强度比同体积钢的强度高100倍,质量却只有钢的1/7到1/6,因而被称为“超级纤维”。
(3)金属纳米
隐形飞机
优良的金属导体在尺寸减小到几纳米时就成了绝缘体,多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现为黑色,因此纳米金属材料可用于制作隐形飞机上的雷达吸波材料。
金的熔点为 1064℃,但 2 nm 尺寸金的熔点仅为 327℃左右。纳米金颗粒因与硫化氢在弱碱性环境中结合而呈现稳定的红色,可用于现场检测空气中是否存在硫化氢;在免疫检测、肿瘤检测、靶向药等方面也都具有重要应用价值。
(4)纳米金
(5)磁流体
磁流体又称磁性液体,是磁性纳米粒子(如Fe3O4、Fe2O3等)的超稳定悬浮液,它可以像液体一样流动,在外加磁场作用时又会表现出磁性。磁流体可用于磁性流体密封、声光仪器设备、磁性靶向药物等领域。
(6)其他
纳米机器
防水防静电
防紫外线
拓 展 视 野
超原子
2005 年,卡斯尔曼团队发现某些特定大小的 Al 金属簇具有与某些原子相似的性质。例如,Al13簇具有与氯原子相似的电负性,Al14簇具有与碱土金属相似的性质。
具有与某种原子相似性质的金属簇,被称为该原子的超原子。一些超原子,如 WC、ZrO,分别具有与贵金属原子 Pt、Pd 相近的性质,可作为重要化工生产催化剂的潜在廉
价替代品。超原子概念已经开始用于
指导新材料的设计,如(Al13K3O)6,由
Al13和 K3O 形成的一个超原子分子。
分子间通过非共价键作用聚集在一起会表现出特殊性质吗?
三、超分子
1.概念:
若两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体,能表现出不同于单个分子的性质,可以把这种聚集体看成分子层次之上的分子,称为超分子。
2.超分子结合方式:
超分子内部分子之间通过非共价键相结合,包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
3.应用:
(1)冠醚——分子识别
由于冠醚能与阳离子(尤其是碱金属阳离子)作用,并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用,将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂,因而成为有机反应中很好的催化剂。冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。
反应活性高
(2)分子梭
在链状分子A上同时含有两个不同的识别位点。在碱性情况下,环状分子B与带有正电荷的位点1的相互作用较强;在酸性情况下,由于位点2的烷基铵结合H+而带正电荷,与环状分子B的作用增强。因此,通过加入酸和碱,可以实现分子梭在两个不同状态之间的切换。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)纳米是一种非晶体。( )
(2)纳米材料具有丁达尔效应。( )
(3)液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各向异性。( )
(4)纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分,两部分中原子都排列有序。( )
【练一练】
2.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管。下列叙述正确的是( )
A.SiO2与干冰的晶体结构相似
B.SiO2耐腐蚀,不与任何酸反应
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.光纤主要成分是SiO2,具有导电性
C
3.有关液晶的叙述,不正确的是( )
A.液晶既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性
B.液晶最重要的用途是制造液晶显示器
C.液晶不是物质的一种聚集状态
D.液晶分子聚集在一起时,其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响
C
4.我国科学家成功合成了3 nm长的管状定向碳纳米管。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小、熔点高、化学性质稳定性好的特点,因而被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确的是( )
A.它是制造飞机的理想材料
B.它的主要组成元素是碳
C.它的抗腐蚀能力强
D.碳纤维复合材料为高分子化合物
D
5.下列不能看作超分子的是( )
A.两个DNA分子链通过氢键结合在一起
B.细胞膜中的磷脂分子的双层膜结构
C.冠醚与金属离子的聚集体
D.所有以氢键结合在一起的分子
D
既有可流动性,又有各向异性
内部晶体结构排列有序、界面无序
两个或多个分子的聚集体,不同于单个分子的性质
几类其他聚集
状态的物质
液晶
纳米材料
超分子