Scienceshow/纳米技术

纳米技术演示实验和动手活动

• 有关纳米技术的更多信息，请参阅 纳米科学和纳米技术开源维基手册
• 讨论页面上有一个针对新实验的集思广益活动：讨论页面

已完成指南

• 正在用英语准备中，但 丹麦语版本 中有许多指南。

所有指南都在 概述页面 上列出。

展示序列

展示：纳米技术简介

这个展示序列包含了超过 2 小时站立式纳米技术展示的材料，并有大量的动手活动，可以让观众参与更长时间。展示中有一条贯穿始终的红线，但重点在于展示人们在日常生活中会看到的各种纳米级现象，或者可以用简单的装置进行演示。

为什么东西是白色的

这并不是真正的纳米技术，它只是表明微结构表面可以呈现白色，并且不同于后面描述的纳米粒子中的瑞利散射。

透明材料中的光散射

• 大型透明晶体和小块白色晶体（盐、沙子、玻璃...）是白色的，整体是透明的。
• 棱镜中的折射会产生彩虹，无序材料中的多次折射会产生白光。
• 水滴或圆底水瓶中的折射可以产生彩虹 [1]
• 指南：用液氮制造云。云，用液氮制造，可以产生彩虹，但由于多次折射而呈白色。

折射率匹配

如何让白色物体消失

• 指南：透明羊毛。羊毛和丝绸，将羊毛浸入与羊毛折射率匹配的苯甲醇中，可以使羊毛变得透明。
• 指南：隐形玻璃。在折射率匹配的透明油中的隐形玻璃。食用油和耐热玻璃效果很好。你可以做一些有趣的事情，比如拿一块碎玻璃，把它放进装满油的罐子里，然后取出之前放进去的整块玻璃，这样就能神奇地修补碎玻璃。

透明材料和液体的折射率

材料	n	折射率匹配
固体
耐热玻璃	1.47	食用油
石英	1.544-1.553
PMMA（亚克力玻璃）	1.4893-1.492
尼龙	1.53-1.566
聚苯乙烯	1.55- 1.60
聚碳酸酯	1.584-1.586
羊毛	1.553	苯甲醇
棉花/亚麻	1.515
纸张/纤维素
醋酸纤维素	1.4750
食盐 (NaCl)	1.516-1.544
糖/蔗糖	1.5376
钻石	2.417
磷化镓	3.50
液体
水	1.33
乙醇	1.36
石蜡	1.332-1.412
乙腈	1.3441
多不饱和油	1.371-1.432
环己烷	1.4260
乙二醇	1.4318
甘油/甘油	1.4729
葵花籽油	1.474-1.475
糖溶液 (80%)	1.49
苯	1.5010
苯甲醇	1.538-1.540
2-碘乙醇	1.5720
二硫化碳	1.63
二碘甲烷	1.74

混合液体，如甘油和水，可以形成具有中间折射率的溶液。

梯度折射率匹配

通过逐渐改变折射率，可以避免反射。这可以通过纳米结构表面来实现。例如，蚀刻成小尖刺的硅表面会变成黑色（黑硅），不像光滑表面的银色光泽。

蓝天

• 小纳米粒子，比光波长小或与光波长相近，会根据波长散射光，散射光的强度与波长的四次方成正比——所以蓝光散射程度很高，而红光则散射程度很低。
• 指南：胶体日落。我们在投影仪上用瓶子制造硫纳米粒子，你可以看到红光穿透而蓝光被散射。所以你看到的日落和上面的蓝天都是由空气中的纳米粒子（盐、粘土、烟雾...）造成的。纳米粒子浓度过高的溶液会呈现白光（好吧，略带黄色，因为硫是黄色的）。
  • 观察蓝光偏振的不同
  • 偏振片 NT45-668 8.5x15" 35 美元
• 制作纳米粒子的简单方法是将几颗硫磺晶体添加到乙醇中，静置使其形成饱和溶液（每毫升几毫克就足以使它饱和）。然后将溶液滴入水中，硫磺纳米粒子会立即形成。丙二醇可以使溶液更浓（稳定的胶体硫溶液，M. W. Brenner；Joseph L. Owades，科学，新系列，第 119 卷，第 3104 期（1954 年 6 月 25 日），第 911 页）。来自异丙醇溶液的硫磺纳米粒子的 Zeta 电位为 -50mV。
• 这与一些酒类饮料（如茴香酒）中出现的情况类似，当添加过量的水时，茴香油会在酒精中形成油滴。
• 指南：牛奶和纳米粒子。稀释的低脂均质牛奶也会出现相同的现象，因此这里存在赋予白色颜色的脂肪纳米粒子。牛奶中的激光散射

银纳米粒子

• 指南：银镜涂层。
  • 合成银镜以展示纳米级金属薄膜仍然具有金属特性 [2]。
• 指南：银纳米粒子合成。合成银纳米粒子，并展示稀释溶液中透射的光为红色，而反射（反向散射）的光为绿蓝色。这些粒子在黄色频率范围内具有等离子体共振，因此它们散射蓝光到黄光，并让红光透过。
• 金属纳米粒子被用于许多方面 - 一些妊娠测试中的红色来自金纳米粒子。

金纳米粒子

• 简单的基于葡萄糖的合成 [3]，另请参见 DOI 10.1039/b512540e
• 详细的信息 柠檬酸盐法合成金纳米粒子的建模 Ind. Eng. Chem. Res.，46（10），3128 -3136，2007。

染料和荧光分子

• 这些并非真正的纳米结构，而是具有独特光学特性的化学化合物（但如今许多化学领域都被称为“纳米”）。
• 指南：尼罗蓝荧光。尼罗蓝在酒精中 - 当你用绿光激光笔照射它时，显示出红色荧光。该分子吸收绿光到红光，并且在吸收绿光后也能发出红光。
• 指南：荧光染料。罗丹明染料和其他荧光染料（金鸡纳霜在奎宁水中）

光谱仪和衍射

• 我们需要一种方法来区分所有这些奇怪的光学现象，幸运的是，纳米结构的表面可以用来做到这一点。
• 指南：光盘光谱仪。光盘 - 光盘表面上的“摩尔斯电码”位模式的衍射会产生散射光的干涉，可以观察到明亮的彩虹。使用光盘，你可以了解不同光源发出的是什么颜色。试着观察老式灯泡，并将其与荧光灯管进行比较 - 灯管内部涂层的荧光分子会发出不同的光带。
• 指南：衍射光栅光谱仪。使用衍射光栅更容易看到这种效果，你可以研究例如放电管和发光二极管。

亚波长光学元件

• 聚苯乙烯球体单层可以产生很好的衍射图案。
• 液晶和偏振效应

调整材料特性

• 指南：发光二极管。发光二极管是材料特性通过改变成分而改变的例子。通过向发光的晶体中添加不同的物质，可以获得不同的波长。
• 向蓝色发光二极管中添加荧光染料可以发出白光。
• 活动指南 [4]

不同材料的吸收、透射和反射特性

• 指南：光的吸收、透射和反射以及热量。这并非真正关于纳米结构，而是展示了不同的波长在不同材料中的表现方式。这是一个很好的起点，可以讨论材料的光学特性及其带隙等。
• 使用灯泡和红外热源，你可以看到和感觉到以下现象
  • 玻璃透射可见光，但不透射热量
  • 薄硅片和锗片透射热量，但不透射可见光（蓝宝石也可以做到这一点）
  • 厚硅片吸收热量，会迅速变热
  • 镀金的硅片反射热量，保持相对凉爽。电磁辐射仅到达金片的几个纳米深度（趋肤深度），并能很好地从亚 100 纳米厚的金膜上反射。
  • 金属网格上的薄水膜（添加一些肥皂）会阻止热量（这就是为什么鸡灯能舒适地温暖你的皮肤，但你从它们那里实际上并不会变暖太多:-)以及为什么烤面包会烤焦表面，而不是内部。在肥皂膜部分，我们将看到这种薄膜可以是亚 100 纳米厚（我没有检查过它实际上需要多厚才能阻挡你能够感受到的热辐射，但这可能大约是一微米）。
  • 试试气凝胶...

光子晶体

• 科学美国人文章 [5]
• 蝴蝶翅膀
• 与折射率引导进行比较：光纤 [6]

电离

• 来自电离的发光 - 来自荧光灯、等离子球和放电管的发光可以用来分析气体成分
• 指南：等离子球。

场电离

电离过程本身也可以用来分析存在哪些气体，并且可以通过纳米级尖端来改善，场电离也被用来在空气净化器中产生离子（实际上也会产生大量对人体有害的臭氧）

• 摩擦气球，使它们粘在墙上。
• 指南： 范德格拉夫起电机。在范德格拉夫起电机上，解释充电方式，就像持续用气球摩擦衬衫一样 - 并演示棉花碎片在静电力的作用下上下跳动并暂时粘住的现象。
• 讨论高电场如何分解分子。
• 指南： 范德格拉夫起电机。展示带角度尖端的旋转器产生的场发射，并解释尖端如何产生巨大的电场并生成离子和平流层臭氧。
• 指南： 离子喷雾。演示去离子喷雾枪 - 闻闻臭氧，感受来自它的电离空气。尝试使用它来分离粘在塑料和其他物体上的聚苯乙烯球。它们也会像被摩擦的气球一样带电，并像棉花一样粘在一起。离子喷雾使离子移动到电荷密度高的区域并使其中和，然后其余的离子将或多或少均匀地附着在各个地方并降低静电“吸尘”力。一些吹风机内置了“离子喷雾”来减少干发时的静电感觉。
• 通过云被VdG排斥和吸引来可视化空气中的离子运动 [7]

分子表面力

• 就像电荷差异会导致物体粘附一样，分子中带不同电荷的部分也会相互吸引，例如水分子H2O中的H喜欢靠近其他水分子中的O。如果分子中没有静电荷，仍然会存在微弱的吸引力，因为只有当我们观察时间平均值时，整体电荷中性才会存在。在任何时刻，电子都会处于特定的位置，并且会存在微小的极化，但这会随着时间的推移而迅速变化。然而，两个分子会因快速变化的极化而相互影响，这会导致一种吸引力，称为范德华力。
  • 石蜡、硬脂酸和蜡是由于范德华力而成为固体的材料的例子。
  • 水是静电荷分子的例子。
• 带电分子相互吸引得如此强烈，以至于它们不喜欢与弱吸引力的范德华物质混合 - 油和水不能很好地混合。

• 指南： 毛细压力。毛细压力将有色水吸入细小的玻璃管中，但不会吸入塑料/特氟龙管中。油和肥皂水怎么样？
• 例子
  • 厨房中的特氟龙涂层
  • 超疏水涂层
    • 荷叶效应（见下文）
  • 超亲水和自清洁表面（见下文）

超亲水表面

• 窗户上的二氧化钛涂层使其超亲水并具有自清洁功能 [8]，[9]，[10]

粘着和粘附

• 壁虎毛发 [11]

油薄膜

根据油滴在水面上铺展开来估计分子的尺寸[12].

• 指南： 油在水上。油在水面上形成纳米级的薄膜，并产生干涉效应

• [13]

肥皂薄膜

在肥皂泡中我们可以看到这样的效果（[SoapBubbler.com 网站，有肥皂泡]）。

• 指南： 肥皂膜。在一个垂直悬挂在金属丝环中的肥皂膜中，你可以看到光在其上反射产生的彩虹色。顶部最终会变得透明，那是因为膜的厚度小于波长的1/4 - 并且就在薄膜破裂之前。

[14]

脂质双层

• 活细胞的重要组成部分 [15]

'超疏水'涂层

• 指南： 超疏水涂层。超疏水涂层
• 荷叶效应，讨论其工作原理。参见[w:Lotus_effect| 荷叶效应]。
• 纳米管森林演示和视频 [16]
• 一种市售的完全疏水材料

涂层颗粒

• 水涂层
  • 指南： 非牛顿流体。玉米粉或土豆粉实验。玉米淀粉通常是最好的。大约等体积的粉末和水可以产生良好的流体。典型的颗粒尺寸为10微米，如果1克水与1.5克玉米淀粉混合（最佳结果），则会形成5微米的水膜涂覆在颗粒上。所以它不是纳米级的，而是微米级的。

如果你煮沸它，淀粉葡萄糖聚合物链将溶解在水中。

• • 另请参见 新科学家博客
• 表面活性剂
  • 前面提到的银颗粒被一层带电的分子膜包覆。

布朗运动

物质由于热能而产生的运动。这就是为什么铁磁流体不会简单地聚集成团，而是保持流体状态的原因。

• 使用胶体石墨或少量牛奶进行显微镜演示（添加一些食用色素以便更好地观察，可以使用疏水性色素，例如辣椒粉）[17]
• （我还没有成功完成这个实验：）也可以使用投影仪 - 在这里使用硫磺颗粒 [18]
• 演示气体通过肥皂膜扩散 [19]

铁纳米粒子

燃烧

• 基于草酸铁的铁纳米粒子用于在空气中燃烧喷泉。在加热时分解成超细铁粉和二氧化碳。这些粒子在从管子中倒入周围空气中时会自燃。 [20]
  • 纳米粒子的形成过程取决于温度，在不同的温度下可以形成许多不同的化合物 [21]
• 另一个选择是雷尼镍 [22]，它可以涂在纸上燃烧。

铁磁流体

• 指南： 铁磁流体。铁磁流体 - 镀有涂层的铁粒子分散在流体中
  • 指南： 铁磁流体合成
  • 另请参阅铁磁流体合成配方PDF 使用溶解在水中的四甲基氢氧化铵 (N(CH3)4OH) 表面活性剂。
• 铁磁流体配方 使用溶解在煤油中的油酸表面活性剂。
• 以及一个 简单的
• 这些粒子就像我们日常生活中看到的磁铁一样——或者更确切地说像一盒钉子，你可以用磁铁把它吸出来，并拉出相互吸引的长长的钉子链。
• 例如，铁磁流体用于扬声器，以确保磁铁和动圈之间良好的散热和一些阻尼。
• 上述磁性实验展示了纳米级铁磁性，它与宏观磁性非常相似（仅仅是这些粒子——大量的研究正在进行，以控制纳米级磁性，用于硬盘等上的数据存储）。
• 铁磁流体可用于在光学显微镜下使硬盘上的磁性贴片可见。

电控粒子

就像控制铁磁流体的磁场一样，电场可用于控制分散在液体中的微小粒子。

• 智能窗户 通过按下开关可以实现透明或阻挡[23][24][25].
• 液晶——请参阅上面的条目

量子化电导率

• 在电导率方面，纳米尺度上会发生奇怪的事情：量子化电导率。
• 指南： 量子化电导率。正在准备的实验
• 12K 欧姆——这是电子一个通道的电阻。

气凝胶，另一种玻璃

• 用它来观察瑞利散射。讨论在窗户中使用它时的隔热和能量平衡。观察毛细管力如何将其压碎。检查它能承受多大的重量以及它如何捕获“弹丸”（如星尘卫星）。
  • 我想另一种制作“凝胶”的方法是制作饱和醋酸钙溶液（1 升水中加入 412 克，搅拌两天以充分溶解），取 10 毫升此溶液，与酒精（100 毫升）混合，在 10 秒内会产生一种无定形凝胶，看起来很像气凝胶——气凝胶可以通过对这种液体凝胶进行临界点干燥来制成，以避免因毛细管效应而坍塌。毛细管效应也是造成凝胶在您用手触摸时变白的原因，因为来自您皮肤的水被吸收到气凝胶的细毛细管中，导致其坍塌。

清洁表面的机械性能

• 光纤不会断裂
• HF 蚀刻的玻璃棒也能承受比未经处理的玻璃棒更多的应力 [26]，因为表面没有微观裂纹引发断裂。

不同类型的碳

碳是一个很好的例子，它可以具有许多不同的纳米结构

• 石墨——在你的钢笔中可以看到它。既黑又金属。化学惰性（好吧，它可以燃烧），用于电池中的电极。
• 石墨烯薄片——它们是怎么制造的？可以演示吗？
• 热解石墨——请参阅下文的抗磁性。还可以由于高导热率而用于切割冰。而且它在机械上非常坚固。
• 高取向热解石墨——HOPG——用STM 制作有序结构的图像
• 炭黑——用于墨水和黑色橡胶的着色。可用于演示布朗运动。
• 柴油黑——可能是城市地区最丰富的纳米粒子来源。有很多环境和安全方面需要讨论（为什么担心实验室里的一点纳米粒子，而外面的交通空气中却到处都是？）。
• C60——富勒烯——足球分子。有什么演示吗？
• 碳纳米管——卷起来的石墨烯薄片，具有许多有趣的特性。我们能否演示 CNT 纸电极在水中的驱动 [27]？讨论科幻空间电梯和纳米电子学。
• 金刚石——最硬的材料。不导电，但如果我记得没错的话，它可以导热……我们可以用金刚石粉进行任何演示吗？
• 钾石墨 [28]

抗磁性

• 指南： 管中的磁感应。让磁铁掉入铝管中，以复习感应
• 指南： 铜板中的磁感应。将磁铁在液氮冷却的铜板上移动
• 指南： 热解石墨。讨论石墨烯薄片以及电子如何在其中移动。让人们玩弄悬浮在磁铁上方的热解石墨。
• 指南： 超导体。为了显示更强的效果，演示磁铁悬浮在超导体上。顺便说一下，你也可以展示液态氧是顺磁性的（而且燃烧良好）。
• 与铁磁流体进行比较

非晶材料

• 指南： 用液氮冷冻。快速冷却会形成小的晶体
• LN2 用于工业中，以制造小的冰晶，确保食品的更好口感。它用于储存生物样本，不会因冷冻和解冻而开裂
• 指南： 用液氮冷冻。用液氮冷冻花朵
• 指南： 过饱和醋酸钠。演示过饱和醋酸钠溶液结晶，形成白色晶体（大约 650 克 CH3COONa 可以溶解在 250 毫升水中，在 100°C 下缓慢冷却在不受干扰的地方）。
• 指南： 非晶金属。演示具有独特机械性能的非晶金属，另请参阅 [29]
• 指南： 液氮棉花糖。供应低温棉花糖
• 指南： 液氮冰淇淋。用液氮制作冰淇淋——我们回到了我们开始的地方，有小粒子的白色物质！

记忆金属

• 记忆金属 [30]

催化

如果存在催化材料，化学反应通常可以在更低的温度下更有效地进行。例如，各种酶被用来增强洗涤剂和洗衣粉中的生化过程，因此您可以在更低的温度下用更少的功率和洗涤剂消耗量洗涤衣物。催化剂在工业化学过程中也得到了广泛的应用。通常，催化材料非常昂贵，只有材料表面的少量活性位点实际上具有催化活性。出于这些原因，使用纳米结构的催化物质更加有效，这些物质可以最大化催化剂面积，并具有许多活性位点，同时最小化材料本身的消耗。

• 汽车尾气催化剂

• 用铂丝演示甲醇催化（另请参阅《化学教育杂志》，第 71 卷，第 4 期，第 325-327 页）。

• • [31]
    • 在锥形瓶中加热 10 毫升甲醇（可以用甲基蓝给它染色）。可以用乙醇代替甲醇，因为乙醇的危险性低于甲醇吗？
    • 加热铂丝直到发光，然后将其悬挂在锥形瓶中
    • 随着甲醇被催化氧化成甲醛，铂丝会微弱发光，然后会越来越亮，这是放热反应 CH₃OH + 1/2 O₂ =CH₂O + H₂O
    • 当铂丝足够热时，它会点燃甲醇/空气混合物，混合物会以绿色火焰燃烧，直到瓶中没有氧气 CH₃OH + 1.5 O₂ =CO₂ + 2 H₂O。
    • 当瓶中进入新鲜氧气时，反应会振荡，重新开始 [32]
    • 另请参阅 [33]
    • 如果在甲醇中添加硼酸和浓硫酸（催化剂），火焰可以变得更亮，呈绿色（形成易挥发的三甲基硼酸酯，燃烧时会产生绿色的火焰：B₂O₃ + 6 CH₃OH = 2 B(OCH₃)₃ + 3 H₂O

• [34] 氨的催化氧化（似乎比甲醇燃烧更温和，尽管它会产生 NOx，需要良好的通风）
  • 在锥形瓶中加入 25 毫升浓氨水溶液。将发光的铂丝降低到液体上方几厘米处，它将发出明亮的光芒。你也可以尝试用铜，铜会融化成一滴滴到液体中，形成氧化铜和与氨的络合物 [Cu(NH 3) 4] 2+。[B. Z. Shakhashiri, 化学演示，化学教师手册，威斯康星州，1989 年，第 2 卷，第 214-215 页][Gilbert, Alyea, Dutton, Dreisbach, 化学中经过测试的演示，由化学教育杂志授权出版，1994 年，第 1 卷，第 I-35 页]。另请参阅 [35]。

• 反应的例子，其中催化剂在反应中暂时被消耗，但最终会被回收并准备好进行新的反应循环 - 当浓 H2O2 加入到 Fe3+ 的黄色橙色水溶液中时 [36]。

• [37] 简单的 Cu 催化的 Zn+酸反应和对潜在化学的讨论...... 纳米催化剂是否有帮助？

聚合物

• 指南： 超吸水聚合物。超亲水性超吸水剂。Luquasorb 3746sx 0.1 克在变成液体之前会吸收 14 毫升普通液体。
• [38] 聚乙烯醇粘液，另请参阅 [39]
• 海藻酸与食用色素混合。将有色海藻酸添加到氯化钙溶液中，形成蠕虫状结构。
• 聚氨酯泡沫是由两种聚合物混合而成，这两种聚合物混合后会膨胀 [40] 和 [41]。
• 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 弹性体
• 硫也可以制成一种聚合物 [42]

DNA

• 从蔬菜中提取 DNA [43]
• 讨论 DNA X 射线衍射 [44] 已移除
• 我们可以在高倍显微镜下显示染色体 1。不同的染色体可以染成不同的颜色吗？

酶

• 过氧化氢中氧气的催化作用，使用 过氧化物酶
• 酶用于洗衣粉中，以
  • 在低温下洗涤衣服（衣服更耐用，节省能源）
  • 去除淀粉的洗碗液
  • 用更温和的化学物质处理皮革
  • 生物燃料生产
  • 你身体中的大多数化学过程都需要各种酶才能顺利进行，准备试剂并有效地去除废物。

食物

食物中可以找到大量的分散体和纳米尺寸的颗粒。例如，参见用瑞利散射进行的牛奶实验。

• 回顾 食品物理学 雅典娜·M·唐纳德 1994 年 英国物理学报 57 1081-1135 doi:10.1088/0034-4885/57/11/001

完整的对话展示示例

天空中的颜色

本节目旨在演示日常生活或与日常生活相关的各种纳米级现象。我们的目的是让观众在节目中进行一些动手实验，并在一定程度上参与其中。自然地，可以采用不同的顺序，根据观众和可用材料，可以轻松地添加或删除实验。根据观众的学校级别，你可能需要修改此顺序。'展示' 在此描述中是指尽可能地将样本传递给周围的人。

白色纳米结构

走动时，你实际上会在日常生活中看到大量由纳米级现象和结构产生的效果。例如，你可能会想知道为什么有些东西是白色的。你知道通常是白色的东西吗？你知道为什么吗？

云彩 - 如果你想到云彩，它们可以给我们带来彩虹，也可以是厚厚的灰色雨云或白色的蓬松云。

彩虹是由液滴中的光线折射产生的，就像著名的平克·弗洛伊德的封面一样，一个白色光束被分成彩虹。如果液滴过于密集，彩虹色会散落在许多液滴中，最终我们会看到所有颜色的混合物，这会给我们带来白光。

我们可以用液氮制造漂亮的云彩。

• 指南： 液氮。在这个杯子里（两个一次性塑料杯相互放在一起，充当廉价且出乎意料地有效的杜瓦瓶），我放了液氮，这可能是你生活中最熟悉的物质，因为你呼吸的空气有 80% 是氮气。如果我们将它冷却到 -196 摄氏度，它就会变成液体，就像水蒸气可以在冷物体上冷凝一样。

• 指南：液氮 。将它倒在地板上会产生大量'烟雾'，并且不会留下任何液体，因为它在接触到比其沸点高 200 摄氏度的物体时会剧烈沸腾。这会让你怀疑氮气是否是灰色的...... 但如果空气中有 80% 是氮气，而且非常透明，这有点奇怪。

• 指南：用液氮制造云彩。如果我把一个有机玻璃管放入液氮中，你可以看到它沸腾，并且'蒸汽' 在管中上升。管子里的氮气非常清澈；只有当它接触到周围的空气时，它才会变成不透明的云彩。这就是它的本质 - 空气中水蒸气的凝结就在这里为我们创造了可以玩耍的云彩。

• 指南：用液氮制造云彩。如果我们取一些沸腾的水，其中有大量的水蒸气，我们可以轻松地制造出更好的云彩。将 1 毫升液氮倒入电热水壶中 0.5 升沸腾的水中（可以*完全*打开以避免沸腾的水和氮气喷出），我们就会得到一团浓厚而重的冷凝水蒸气云。玩起来很有趣，又冷又舒服 - 只要注意不要玩太多，不要把沸水溅到自己身上。

因此，即使一些东西是透明的'块状'材料，它们也可能是白色的，仅仅是因为它们被切割成小块，以所有方向折射光线。我们从盐中也知道这一点，单个盐粒可以是一个漂亮的透明晶体，而一堆这样的盐粒则是白色的。

粒子中光的折射取决于周围环境和材料的折射率变化。

羊毛是另一种白色材料的例子，在这里，白色来自几乎透明的羊毛纤维的粗糙度（当它们来自白色的绵羊时）。

• 指南：透明羊毛。如果我们将羊毛浸入苯甲醇中（折射率为 1.540），它的折射率与羊毛纤维相同，光线就不会在纤维界面折射。正如我们所看到的，它变得几乎完全透明。如果你把白色丝绸放进去，它就不会透明，因为丝绸的折射率不同。你也可以在纸袋中沾到油腻的食物时看到这种效果，它们会变得几乎透明。

因此，用与水折射率相同的纺织品制作泳衣可能不是一个好主意 :-)

这种效果并不总是需要是纳米级的 - 即使盐粒大到肉眼可见，它也是白色的。

(*指南：隐形玻璃。我们也可以通过将一个装满透明油或玻璃雕像的玻璃杯浸入一个也放在透明玻璃杯中的透明油浴中来显示折射率匹配效果，并让人们猜测其中是什么 - 它会一直不可见，直到我们把它拉起来)

蓝天

现在我们将转向一种需要纳米级粒子的效应，希望你每天都能看到。

纳米粒子存在于我们头顶的天空中——微小的水滴，来自海洋的盐粒……

当粒子变得小于光的波长时，它们开始散射光，与形成彩虹的大水滴不同。它被称为瑞利散射，并且非常依赖于光的波长。

为了说明这一点，我们将制作一些硫纳米粒子。硫是黄色的（展示一瓶黄色硫晶体），但当制成纳米粒子时，它们可以呈现多种颜色。

• 指南：胶体日落。在一个放在投影仪上的高脚杯中，将稀释的硫酸与硫代硫酸钠按 1:1 体积混合，等待淡光出现后，用 10 倍或更多倍的水稀释。（它也被称为丁达尔-瑞利实验/散射） [45]

另一种配方使用 6.75 升水、135 克硫代硫酸钠和 5 毫升浓缩酸，但我不喜欢在课堂演示中使用浓缩酸。）

随着粒子从溶液中沉淀出来并聚集形成纳米粒子而生长，你将看到颜色的变化。从瓶子侧面射出的光为蓝色，而穿透它的光为红色——你可以看到当你抬头看晴朗的天空时会发生什么，穿过你的蓝光被散射到你身上，而红光则继续传播到地平线上看日落的人那里。如果硫太多，在某个时刻，粒子会变得非常密集，没有任何光能穿透瓶子，此时你应该使用更少的液体来开始反应。一段时间后，粒子会长得很大，就像白色的云一样散射白光（可能由于硫的颜色而略带黄色）。蓝天绝对是一种纳米级现象。

• 指南：牛奶和纳米粒子。如果你喝牛奶制品，你实际上每天都会遇到类似的效应。如果你取一些低脂均质牛奶，倒一点到一个装满水的大的瓶子里，你就会看到同样的效果。牛奶是白色的，因为牛奶中的脂肪形成了纳米粒子散射光。如果脂肪含量过高或没有均质，可能难以显示出明显的效果。

我们不仅吸入纳米粒子，并在日落和蓝天中享受它们的颜色，我们还经常饮用它们。

银纳米粒子

当然，存在着许多种类的纳米粒子——无害的、有益的、危险的和有用的，就像我们周围存在着不同的材料一样。

展示纳米粒子的一种快速方法是通过混合硝酸银溶液和柠檬酸钠并将其煮沸来制备银纳米粒子，从而将银还原为游离的金属银。柠檬酸盐稳定了银，使银组装成带电薄膜涂层的纳米粒子。

首先，我们将展示在没有稳定剂的情况下还原银时会发生什么。

• 指南：银镜涂层。

演出前：每毫升 5%wt 硝酸银溶液中加入一滴 0.4 M NaOH（aq）并轻轻摇动。然后在摇动时逐滴加入 1 M NaOH，直到沉淀物刚刚溶解。这是托伦试剂，一种二胺银（I）配合物。在几个小时内使用它。不要储存托伦试剂 [46]，因为它会形成叠氮化银，如果放置时间过长，会发生剧烈爆炸。使用后，用稀硝酸中和，如果允许，可以冲入排水管。 托伦试剂配方 托伦试剂

我们有一种叫做托伦试剂的银溶液，我们在其中加入一滴葡萄糖，它会还原银，但不会保护银免于组装成大的结构。

（将试管放入温水浴中，然后通过让一滴葡萄糖溶液沿玻璃侧壁滑下，不要接触它，直到反应形成漂亮的银镜。（醛会形成银镜，酮会形成淡黄色镜，炔烃在 1 位有三重键会形成黄色碳化银沉淀。））

因此，我们得到了一个美丽的银镜。

• 指南：银纳米粒子合成。在柠檬酸盐的情况下，柠檬酸根离子在银反应时会在银周围形成一种肥皂膜，而柠檬酸盐分子的带电部分会使银粒子相互排斥，因此它们不会聚集并沉淀为金属薄膜。

当我们稀释银粒子溶液以便我们可以透过它观察时，通过将它放在灯的前面和后面，我们可以看到通过它的光或从它“反射”的光具有不同的颜色。红橙色光穿透，而绿蓝色光被反射。

银纳米粒子散射波长较短的光，并允许大多数黄光和红光穿透。如果你用金来制备它们，你会得到红色的纳米粒子（但化学品更昂贵）。

银和金纳米粒子用于许多事物。金纳米粒子被广泛用于制造化学反应——例如，妊娠测试中的红色通常来自金纳米粒子。银纳米粒子可以用来杀死细菌，例如，你可以买到含有银纳米粒子的袜子，在某个时期，人们甚至认为喝它们会很健康……我不会尝试那样做。

资源

• 物理教师研究所
• nanotek.nu
• 一些与化学相关的纳米活动
• [47]
• 普通化学演示实验列表 [48]
• 水的奇特性质——不是真正的纳米，但包含大量信息 [49]
• 奇怪的水桥 [50]