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第3節 液晶、納米材料與超分子
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固態、液態、氣態是物質三種最常見的聚集狀態。除此之外，在生活中你還見到過其他物質的聚集狀態嗎？
1.知道物質除有三種基本的聚集狀態外,還有液晶、納米材料、超分子等其他聚集狀態；
2.知道液晶、納米材料和超分子的結構與性質的關系。
資料在線
液晶的發現
1888年，奧地利植物學家萊尼茨爾觀察到膽甾醇在加熱過程中會先變成渾濁液體，繼續加熱后又成為透明液體。德國物理學家萊曼共同研究了
這一現象，發現這類渾濁狀態的物質外觀上雖然呈液態，但在不同方向上對光的折射率不同，即顯示出各向異性晶體所特有的雙折射性。基于此物質同時具備“液”體和“晶”體性質，將其命名為“液晶”。
圖1 美麗的液晶光學織構
一、液晶
1.定義：
在一定的溫度范圍內既具有液體的可流動性，又具有晶體的各向異性(折射率、磁化率、電導率等)的物質。
2.結構特點：
液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列，由此在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質。
3.液晶性質及用途：
液晶本身不發光，但在電場作用下分子取向會沿電場方向扭曲，通過改變電壓而改變液晶旋光狀態，可以調控通過液晶盒的光強，再經過彩色濾光片最終組成我們看到的彩色圖像。
上偏光片
彩色濾光片
液晶層
下偏光片
液晶顯示的驅動電壓低、功率小
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納米材料具有某些與傳統材料明顯不同的特征，如納米陶瓷可以具有像金屬一樣的柔韌性，碳納米管的強度遠超過鋼，納米金居然可以溶于水，為什么納米材料具有如此神奇的功能
納米陶瓷膜
碳納米管
納米金溶液
二、納米材料
1.結構特點：
由直徑為幾或幾十納米的顆粒和顆粒間的界面兩部分組成。通常，納米顆粒內部具有晶狀結構，原子排列有序，而界面則為無序結構。因此，納米材料具有既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的獨特性質。
2.性能：
納米材料的顆粒很小和處于界面的原子所占比例較高，使得納米材料在光學、聲學、電學、磁學、熱學、力學、化學反應等方面完全不同于由微米量級或毫米量級的結構顆粒構成的材料。
3.應用：
(1)納米陶瓷
納米陶瓷不僅保留了陶瓷硬度高、強度高的特點，其韌性和可加工性也顯著增強，甚至具有金屬一樣的柔韌性。
(2)碳納米管
碳納米管不僅纖維長、韌性高，而且其強度比同體積鋼的強度高100倍，質量卻只有鋼的1/7到1/6，因而被稱為“超級纖維”。
(3)金屬納米
隱形飛機
優良的金屬導體在尺寸減小到幾納米時就成了絕緣體，多數金屬納米顆粒在特定尺寸時會呈現為黑色，因此納米金屬材料可用于制作隱形飛機上的雷達吸波材料。
金的熔點為 1064℃，但 2 nm 尺寸金的熔點僅為 327℃左右。納米金顆粒因與硫化氫在弱堿性環境中結合而呈現穩定的紅色，可用于現場檢測空氣中是否存在硫化氫;在免疫檢測、腫瘤檢測、靶向藥等方面也都具有重要應用價值。
(4)納米金
(5)磁流體
磁流體又稱磁性液體，是磁性納米粒子（如Fe3O4、Fe2O3等）的超穩定懸浮液，它可以像液體一樣流動，在外加磁場作用時又會表現出磁性。磁流體可用于磁性流體密封、聲光儀器設備、磁性靶向藥物等領域。
(6)其他
納米機器
防水防靜電
防紫外線
拓 展 視 野
超原子
2005 年，卡斯爾曼團隊發現某些特定大小的 Al 金屬簇具有與某些原子相似的性質。例如，Al13簇具有與氯原子相似的電負性，Al14簇具有與堿土金屬相似的性質。
具有與某種原子相似性質的金屬簇，被稱為該原子的超原子。一些超原子，如 WC、ZrO，分別具有與貴金屬原子 Pt、Pd 相近的性質，可作為重要化工生產催化劑的潛在廉
價替代品。超原子概念已經開始用于
指導新材料的設計，如(Al13K3O)6，由
Al13和 K3O 形成的一個超原子分子。
分子間通過非共價鍵作用聚集在一起會表現出特殊性質嗎？
三、超分子
1.概念：
若兩個或多個分子相互“組合”在一起形成具有特定結構和功能的聚集體，能表現出不同于單個分子的性質，可以把這種聚集體看成分子層次之上的分子，稱為超分子。
2.超分子結合方式：
超分子內部分子之間通過非共價鍵相結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等。
3.應用：
(1)冠醚——分子識別
由于冠醚能與陽離子(尤其是堿金屬陽離子)作用，并且隨環的大小不同而與不同的金屬離子作用，將陽離子以及對應的陰離子都帶入有機溶劑，因而成為有機反應中很好的催化劑。冠醚與金屬離子的聚集體可以看成是一類超分子。
反應活性高
(2)分子梭
在鏈狀分子A上同時含有兩個不同的識別位點。在堿性情況下，環狀分子B與帶有正電荷的位點1的相互作用較強；在酸性情況下，由于位點2的烷基銨結合H＋而帶正電荷，與環狀分子B的作用增強。因此，通過加入酸和堿，可以實現分子梭在兩個不同狀態之間的切換。
1.判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。
(1)納米是一種非晶體。(　　)
(2)納米材料具有丁達爾效應。(　　)
(3)液晶內部分子沿分子長軸方向有序排列,使液晶具有各向異性。(　　)
(4)納米材料包括納米顆粒與顆粒間的界面兩部分,兩部分中原子都排列有序。(　　)
【練一練】
2.我國科學家制得了SiO2超分子納米管。下列敘述正確的是(　　)
A.SiO2與干冰的晶體結構相似
B.SiO2耐腐蝕,不與任何酸反應
C.工業上用SiO2制備粗硅
D.光纖主要成分是SiO2,具有導電性
C
3.有關液晶的敘述,不正確的是(　　)
A.液晶既具有液體的流動性,又具有晶體的各向異性
B.液晶最重要的用途是制造液晶顯示器
C.液晶不是物質的一種聚集狀態
D.液晶分子聚集在一起時,其分子間相互作用很容易受溫度、壓力和電場的影響
C
4.我國科學家成功合成了3 nm長的管狀定向碳納米管。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小、熔點高、化學性質穩定性好的特點,因而被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法不正確的是(　　)
A.它是制造飛機的理想材料
B.它的主要組成元素是碳
C.它的抗腐蝕能力強
D.碳纖維復合材料為高分子化合物
D
5.下列不能看作超分子的是(　　)
A.兩個DNA分子鏈通過氫鍵結合在一起
B.細胞膜中的磷脂分子的雙層膜結構
C.冠醚與金屬離子的聚集體
D.所有以氫鍵結合在一起的分子
D
既有可流動性，又有各向異性
內部晶體結構排列有序、界面無序
兩個或多個分子的聚集體，不同于單個分子的性質
幾類其他聚集
狀態的物質
液晶
納米材料
超分子

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