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1、纳米技术与纳米材料,目录,一、纳米科技的诞生 二、纳米技术与纳米材料 三、纳米材料的制备 四、纳米材料的表征 五、几种典型的纳米材料,一、纳米科技诞生,1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出纳米科技的构想。,中国科学院化学所的科技人员石墨表面通过搬迁碳原子而绘出的世界上最小的中国地图。,1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我
2、们揭示一个可见的原子、分子世界。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科技的正式诞生,1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”；1991年，NEC实验室观察到碳纳米管；1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“原子”二字。,朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量,二、纳米技术与纳米材料,纳米材料: 在纳米量级(1100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应 纳米材
3、料特性取决于制备方法,表面效应,小尺寸效应,由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，其比表面积显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1） 特殊的光学性质 （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4） 特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。,量子尺寸效应,微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。,宏观量子隧道效应,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势
4、垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。,进一步认识纳米,蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂” 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 纳米结构是生命现象中基本的东西,量子栅栏,纳米存储器和DNA开关,纳米材料,纳米技术的发展,钱学森(1991)：“纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将在 21世纪又是一次产业革命。”到199
5、9年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。,纳米技术在美国,2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就业机会 能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料 本世纪前10年几个关键领域之一 制定了“国家纳米技术倡议”(NNI): 纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学,纳米技术在美国,军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料。美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促
6、进纳米技术的研究开发。,美国F117隐形轰炸机,美国B2隐形轰炸机,纳米技术在日本,1962年, 久保(Kubo): 久保理论 国会: 21世纪前20年的立国之本 著名大企业: 纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气,纳米技术在其它国家,韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术 印度：像抓软件产业那样抓纳米科技 德国：把发展纳米技术定位在新能源、新环境，全面带动纳米技术在各个领域的发展 法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金 世界都在迎接纳米时代的到来,中国纳米技术进展,中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管 中国
7、科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”,中国纳米技术应用,中科院化冶所 “七五攻关”: 纳米碳化硅 “八五863”: 纳米阻燃剂 中科院化学所 纳米领带 超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材 高强度、抑菌功能,三、纳米材料制备,对纳米材料的要求 尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控 (表面改性和表面包覆),化学方法制备纳米材料,气相法气溶胶法、激光法、等离子法、裂解法、氧化法、水解法、燃烧法等,液相法化学沉淀法(均匀沉淀法, 共沉淀法)、水解法(醇盐,卤
8、化物)、溶胶-凝胶法、水热法等,物理方法制备纳米材料,气相法 惰性气体冷凝法 固相法 高能球磨法 搅拌磨法 震动磨法,化学方法制备纳米颗粒,纳米粉体表面改性,纳米材料实用化的关键 表面物理控制 化学特性控制 粉体松散、不团聚 表面改性和表面包覆 化学法为主,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器，可以作为在极其细微的尺度即纳米尺上实现对物质表面精细加工的新奇工具。,四、纳米材料的表征,STM针尖,目前除了隧道显微镜(STM）、原子力显微镜(AFM)以外，还有近场光学显微(NSOM)、侧面力显微镜(IFM)、磁力显微镜(MFM)已有二十多个品种。由于它们都是用探针通过
9、扫描系统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。,STM观测物质的纳米结构,硅片上的纳米氧化锌膜AFM,五、几种典型的纳米材料,富勒烯,C80,C60,富勒烯的性质,超导电性 光聚合特性（在一定的光照条件下双键被打 开，与相邻的C60分子形成更加稳定的共价键而发生了聚合反应） 发光性质（C60晶体吸附了掺杂某种气体使原来不能发光的C60分子具备了发光性质） 生物活性（水溶性富勒烯衍生物能够抑制人体免疫缺陷病毒酶，有望应用于临床。,空间结构分为,球形富勒烯,管状富勒烯,洋葱状富勒烯,富勒烯,碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员
10、，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。,碳纳米管,碳纳米管的制备,电弧放电法 催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化分解法CVD、)-化学气相沉积法 激光蒸发（烧蚀）法 等离子体法 热解聚合物法（化学热解法） 电解法,飯島澄男,碳氢化合物催化分解法,单壁纳米管的生长,2004年11月19日 美国科学周刊306卷,碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。,螺旋状碳
11、纳米管,碳纳米管的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。,碳纳米管整流器,Intramolecular Nanotube Junctions,碳60,1985年在太空碳分子实验室中，偶然发现60个碳原子组成空心的笼状结构的碳分子，后来人们发现石墨碳分子经激光、电弧等强高温
12、加热，或又在一定的催化剂（铁基和镍基）的帮助下，碳原子能形成C60分子。,C60的合成方法,苯火焰燃烧法1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富烯 电弧放电法 化学气相沉积法(CVD) C60 合成,物理性质黑色粉末，密度1.65g/cm3g/cm3，熔点700，易溶于CS2、甲苯等，抗冲击能力强。非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 化学性质芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼内部：MC60；金属和C60在球外表起反应：MC60。,C60的
13、物理化学性质,应用与展望,C60的研究已涉及到有机化学、无机化学、生命科学、材料科学、高分子科学、催化化学、电化学、超导体与铁磁体等众多学科和应用研究领域，并越来越显示出巨大的潜力和重要的研究及应用价值。,C60中引入碱金属、碱土金属原子，可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。,C60作成的分子算盘,1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘，储存信息容量是常规电子计算机存储器的10亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器的第一部。移动 单个分子或原子的技术，将 是下一代电
14、子元件和开发纳 电子集成电路的关键。,C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。,实心的纳米棒、纳米线、量子线,半导体ZnO纳米带,LaOH与纳米线,NiO纳米线,光催化材料,利用光催化的方法氧化降解环境中有害污染物是近年来日益受到重视的一项污染治理新技术。美国环保局公布了九大类114种有机物被证实可以通过光催化氧化处理。该方法尤其适合于无法或难以生物降解的有毒有机物质的处理。,什么是光催化,光催化剂受光照射，吸收光能，发生电子跃迁，生成电子-空穴对，通过把光能转化为化学能而促进化合物的合成或使化合物（有机物或无机物）降解的过程称之为光催化。,半导体光催化原理,OH活性基反应能与污染物
15、键能的对比,几种常用的光触媒,纳米光触媒：TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等 TiO2的优点：催化活性高、化学性质稳定、成本低、无毒因此被广泛应用,主要有机物光催化降解反应,水解沉淀法制备纳米TiO2,制备工艺,光催化技术应用领域,空气净化器,光催化循环水处理系统,光催化技术应用领域,防结雾和自清洁涂层,TiO2薄膜,有机污垢,无机污垢,CO2 H2O,窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛薄膜在光照射下产生的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁,国家大剧院用的自清洁玻璃,纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增
16、加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。,间谍卫星,纳米材料在航空航天,International Space Station (2001-08-20),International Space Station,纳米材料在航空航天,Columbus Laboratory,把碳纳米管用作转子的纳米马达图像,纳米材料在航空航天,微电子和计算机技术,纳米结构微处理器的效率提高1兆倍，并实现太比特的存储器(提高1000倍)；研制集成纳米传感器系统。,分子计算,国家安全,拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。 先进的纳米电子器件在信息控制方面； 通过纳米机械学，微小机器人的应用将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性； 用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高； 通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。,
