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1、纳米材料 化学 (Nanoscale Materials in Chemistry)主讲人：左胜利电 话：644423562009年9月1课程简介l纳米技术、纳米材料是20世纪80年代刚刚崛起的新 技术和新材料。l本课程主要向学生介绍纳米材料和技术的基本概念 和内涵，纳米粒子的基本理论，以及纳米粒子的物 理、化学性质（包括微观结构特性，催化性能等） ，纳米材料的制备方法和表征测试方法，结构与性 能的关系及应用前景。l通过本课程的学习，使学生对当前科学发展的前沿 学科有初步的了解，为将来的研究工作打下良好的 理论基础。 2参考教材：l1 张立德，牟季美。纳米材料学，辽宁科学技术出版 社，沈阳，1
2、994l2 张志琨，崔作林。纳米技术与纳米材料，国防工业 出版社，北京，2000l3 张立德。纳米材料，化学工业出版社，北京，2000l4张立德，牟季美。纳米材料和纳米结构，科学出版社 ，北京，2001l5 尹邦跃。纳米时代-现实与梦想，中国轻工业出版社 ，北京，2001l 6 张立德。超微粉体制备与应用技术，中国石化出版 社，北京，20013科技期刊l国内：各类综合与专业性期刊（物理、化学 、材料、工程等），但没有单独发行的纳米 专业期刊。l国外：各类期刊均刊载。l纳米专业期刊：Nanostructured Materials(Elsevier, 美国) Scripta Materilla;
3、 lJournal of Nanoparticle Research(Kluwer,荷 兰); Nano Letters(ACS, 美国)4纳米技术网址：lNational Nanotechnology Initiative (http:/www.nano.gov)lStanford Nanofabrication Facility (http:/www-snf.stanford.edu )lCornell Nanofabrication Facility (http:/f.cornell.edu)l中国科学院纳米中心 (http:/)5内容与安排：l序言l第一章 纳米材料的基本概念l第二章
4、纳米微粒的基本理论l第三章 纳米材料的结构与物理特性l第四章 纳米材料的化学性能l第五章 纳米材料的制备l第六章 纳米微粒的结构和性能测试方法l第七章 纳米材料的应用 6纳米概念的引出l研究对象的分类：l宏观(Macro-): 10-5m, 肉眼可见上至无限l介观(Meso-): 10-1010-6m, 出现量子相干现象, 包括团簇、纳米和亚微米体系。l纳米体系(Nano-)： 10-910-7m（1 100nm）l微观(Micro-): 10-10m, 原子分子下至无限7化学、纳米粒子和凝聚态物理的研究尺度8纳米的大小lmilli-(10-3), micro-(10-6), nano-(10
5、-9), pico-(10-12) l纳米（nanometer），原称“毫微米”，用nm表示 。1nm=10-9ml氢原子直径为0.08nm，非金属原子直径 0.1- 0.2nm，金属原子直径 0.3-0.4nm。l团簇(cluster)： 1nm，C60（足球烯）=0.7nm 。l病毒( 80nm)，细菌(200-600nm)，红血球(200- 300nm)。9纳米的大小10纳米晶与细菌、病毒和分子大小的比较11纳米科学技术(Nano-ST)l基本内涵：在纳米尺寸范围内认识和改 造自然，通过直接操作原子、分子创造 新物质。l主要内容：纳米物理学；纳米化学 ；纳米材料学；纳米生物学；纳 米电子
6、学；纳米加工学；纳米力学 。12纳米科技的发展概述-1l诞生于20世纪80年代末期l1954年，理查德费曼提出操纵原子的梦想l1962年，久保提出量子限域理论l1974年，坦尼盖茨最早使用Nanotechnologyl1980年，STM和AFM的对纳米微粒的研究有重大意义l1984年，德国萨尔大学Gleiter，纳米金属粉末l1985年，Kroto，用甲苯制得了C60l1988年，Fe/Cr多层膜中，巨磁阻效应l1990年，美国贝尔实验室，跳蚤大小的纳米机器人l同年7月，第一届国际纳米科学技术会议13纳米科技的发展概述-2l1990年，在镍表面用36个氙原子排列出“IBM” 字样l1991年，
7、日本Iijima发现纳米碳管l1993年，中科院北京真空物理所操纵原子写出 “中国”字样l1994年，美国研制“麻雀”卫星，“蚊子”导弹，“ 苍蝇”飞机，“蚂蚁”士兵等纳米技术l1996年，我国实现碳纳米管大量定向生长l1998年，纳米金刚石，“稻草变黄金”l2000年，纳米铜-超塑性，纳米碳管-高储氢量 14集成微系统15纳米科技的主要进展lSTM操纵原子。l纳米材料：增韧陶瓷，吸光、气敏、磁 性。l纳米生物学：裁剪和嫁接生物大分子， 使其具有特殊功能。l纳米机器人：用原子、分子制成，比人 体红细胞还小，广泛用于医疗。16基因枪17生化探测18半导体纳米晶作为生物标签19STM操纵原子排列2
8、0世界各国的纳米计划l1991年，美国正式把纳米技术列入“国家关键技 术”和“2005年的战略技术”，并指出：“微米级和 纳米级制造涉及微米和纳米材料、器件的制造和 使用，对先进的纳米技术的研究可能导致纳米机 械装置和传感器的产生，纳米技术的发展可能使 许多领域产生突破性进展。l2000年，美国总统克林顿在国会提出了国家纳米 计划(National Nanotechnology Initiative NNI)， 准备每年斥资5亿美元用于纳米科技的发展。l2003年12月颁布21世纪纳米技术研究开发法案 ，从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿 美圆，用于促进纳米技术的研究开发。21世界各
9、国的纳米计划l日本在20世纪80年代初就花巨资资助纳米技术 研究。从1991年起又实施一项为期10年、耗资 2.25亿美元的纳米技术研究计划。2000年又投 入研究经费约3.1亿美元，并设立了专门的纳米 材料研究中心，研究重点是纳米级材料的制造 技术和功能，通讯用高速度、高密度的电子元 件和光存储器等。l日本政府计划于2010年完成所有纳米科技基础 的研究框架，与美国并驾齐驱。22世界各国的纳米计划l欧盟从1998年开始对纳米材料技术总投入约5.4 亿欧元，提出了用纳米技术改变材料的生产工 艺，提高材料和产品的性能，扩大其应用领域 。到目前为止，欧洲已有50所大学，100个国 家级研究机构在开
10、展纳米技术的研究。但研究 项目比较分散，没有形成规模。l欧盟计划于2003年建成纳米技术工业平台，在 2003-2006年期间投资7亿欧元用于纳米技术研 究，希望能尽快赶上美国的水平。23世界各国的纳米计划l我国从八五、九五就开始设立攀登项目计划支 持纳米科技的相关研究项目，但资助的总经费 才约相当于700万美元，与发达国家相比，投 入经费相差很大。l但我国拥有一支比较精干的纳米科技队伍，主 要集中在中科院和国内一批知名高校。研究领 域集中在纳米材料的合成与制备、扫描探针显 微学、分子电子学和极少数纳米技术的应用。l研究水平比较：日本、德国、美国、英国和北 欧、中国和法国。24材料概述l材料是
11、人类赖以生存和发展的物质基础 ，其先进程度是人类文明发达程度的一 个重要标志。l组成特性：金属材料、无机非金属材料 、高分子材料和复合材料l性能特性：结构材料（力学性能为主） ；功能材料（物理、化学特性为主）。25纳米材料研究对象l纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺 度范围。因此其基本结构单元分为四类：l零维：三维均为纳米尺度，如纳米颗粒、原子团 簇等。l一维：空间两维在纳米尺度，如纳米管、纳米棒 等。l二维：空间一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜 等。l三维：宏观固体，但由纳米基本单元构成，如纳 米固体等 。26判断纳米材料的标准l微粒尺寸和晶粒尺寸是否小于100nm；l是否具有不同
12、于常规材料(bulk)的性能 。l上述两个条件缺一不可。27纳米粒子和纳米碳管28纳米材料研究的历史l主要经历三个阶段:l1990年以前，在实验室探索用各种手段制备 各种材料的纳米颗粒粉体。l1994年以前，如何利用纳米材料独特的理化 和力学性能，设计纳米复合材料。l1994年至今，设计人工组装(artificial assembling)和裁剪(tailoring)材料,达到按照人类 的意愿去组装、设计、创造新体系，遵循 bottom-up的原则。29纳米材料的构筑30纳米材料与其他学科的交叉l纳米材料科学是原子物理、凝聚态物理 、胶体化学、固体化学、配位化学、化 学反应动力学和表面、界面科学等多种 学科交叉汇合而出现的新的学科增长点 。l纳米材料涉及许多传统物理、化学理论 难以解释的未知过程和新现象。l纳米材料的研究会把许多学科推向一个 新层次，带来新机遇。31纳米材料在高技术领域的应用l新型光电转换、热电转换材料的应用；海水 提取氢；l环境：光催化有机物降解、保洁抗菌涂层材 料、绿色生态材料等；l功能涂层材料（阻燃、吸收、反射、隐身） ；l电子和电力工业材料（电阻、导电浆料、电 子触头等）；l大屏幕平板显示用发光材料；l第四代稀土永磁材料。32
