新材料专题课件

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1、走进纳米世界,主讲： 韩 靖,纳米和纳米科技的概念,一,纳米科技概念的提出与发展,二,纳米材料的奇异性能,三,纳米材料应用及制备,四,What is Nano ?,In Greek, “nano” means dwarf Really really really small! 1 nanometer (nm) = 10-9 m Nanoscale generally refers to the size scale of 1 100 nm.,一、纳米和纳米科技的概念,什么是纳米？ 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米 纳米结构？ 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）

2、的微小结构。 纳米技术？ 是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。即研究100纳米到1纳米范围内物质所具有的特异现象和特异功能，并在此基础上制造新材料，研究新工艺的方法与手段。,一纳米有多大？,迪拜塔 8.28 x 102 m,制备优异性能的纳米材料 设计、制备各种纳米器件和装置 探测分析纳米区域的性质和现象,transistor 1947,integrated circuit chip 1959,2001: 100 million transistors per chip,什么是纳米科技？,二.纳米科技概念的提出与发展,人类能够用宏观的机器制造比其体积小的

3、机器,而这较小的机器可以制作更小的机器, 这样一步步达到分子限度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意愿排列原子,制造产品.那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。 当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。 - Richard P.Feynman,1959,1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词 描述精密机械加工。 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，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳 米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7

4、月，第一届国际纳米科学技术会议在美 国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。,扫描隧道显微镜(STM),1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(G.Binnig)和罗海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) ”简称STM 。 应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。,STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为80年代世界十大科技成就之一。,STM的工作原理,将针尖和样品表面作为两

5、个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流”，这种效应就是隧道效应。 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。 STM工作方式 恒电流扫描 恒高度扫描,STM的原理示意图,STM例：移动铁原子,1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形，而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。,铁原子的移动过程,1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字。 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”之后，中国科

6、学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志我国在纳米科技领域占有一席之地。,1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,天梯碳纳米管绳梯,古人曾经幻想，顺着天梯就可以上天了。 他们认为，沿着昆仑山顶峰上的大树向上爬，爬到树顶就能进入天庭，这棵树就是上天的天梯。,从地面修造一架天梯达到几万千米高的卫星，底部必须是直径358千米粗的柱子，才能支撑得住，才不会被自己的重量压弯，这样的天梯，其底座

7、相当于江苏省的面积那么大。,建设天梯（20世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬上爬下。,1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。,2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细

8、胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。 2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。 这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。,到1999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。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投

9、资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。,纳米科技的科学意义,1）可制造一种材料，其强度为钢几倍，而重量仅为钢几分之一。 2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。 3）可以检测出几个癌细胞。 -克林顿 纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术. - 克林顿 纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命. - 钱学森,三、纳米材料的奇异性能,纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的

10、物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。,小尺寸效应 量子效应 表面效应 界面效应,1.表面效应,纳米粒子由于粒径小，比表面积大，表面原子占有率高，表面活性高. 一般规律: 10nm，表面原子占有率20% 1nm，表面原子占有率99%,2.小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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，同时其比表面积亦显著增加，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

11、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。,3.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。,4.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垒。近年来，人们发现一些宏观量子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。,势垒,在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导

12、体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：,两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样,隧道效应,假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，由于电子在空间的运动呈现波性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。形象地看如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象在量子力学中称为隧道效应。,纳米粒子在化学和物理上出现奇异的特性：,熔点降低 Au 1064 2nmAu 327 Cu 327 20nmCu 39 Ag 900 纳米Ag 100,表面积增大，表面能增大 例如Cu 粒径 表面积(m2/g) 表面能(J/mol) 100nm

13、6.6 590 10nm 66 5900 1nm 660 59000,化学活性高 高催化活性的催化剂，与普通催化剂相比，催化活性提高到几十倍到上百倍经固相反应可得到新的物种。,1 各种纳米材料的特性,莲花叶子表面 的自我洁净 莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。,鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。所以鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。这种结构还极其通气。,不用洗涤剂的纳米服装,

14、2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等相继出现，高科技的服装面料令人耳目一新,不沾水的雨伞,纳米抗菌袜,具有易洁纳米涂层的陶瓷,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,四、纳米材料应用及制备,纳米材料的应用,陶瓷材料的增韧性：陶瓷材料耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化高温材料的广泛的应用：例如气缸内衬、汽车点火器等。但也有缺点，可塑性差、韧性差、不易加工。 例如纳米SiC陶瓷断裂韧性比普通SiC提高100倍。 制备出纳米复合陶瓷：德国将20%纳米SiC掺入到粗晶-SiC粉末中，断裂韧性提高了25%。,光学上的应用： 纳米SiO2光导纤维，光

15、传播快，不失真 红外吸收和紫外吸收材料，隐身材料,在日常生活和国际上都有主要的应用，纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒，以及在军事上，防止敌人的红外探测器发现。,隐身就是隐蔽，把自己外表伪装起来，红外探测器可以发射红外线，搜索红外发射物体，人身就是红外线的发射体，现代化战争隐身材料占极其重要的地位。1991年海湾战争中，美国战斗机表面包覆了纳米材料（纳米材料，Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3纳米的硼化物、氮化硼，碳化硼及其复合材料都是隐身材料），吸收宽频带的微波，可以逃避雷达的监视

16、，而伊拉克的军事目标没有这种设施，失效惨重。美国又研制了纳米磁性材料，在一定条件下产生光发散效应，改变光传播方向，达到扰乱敌人探测的目标。,紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO纳米方面对250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波紫外线对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命有影响，若将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，吸收掉这些有害的紫外光。 同理可作防晒剂和化妆品中。 加入高分子材料可作抗老剂，防止高分子材料老化。,医药上的应用 纳米磁性材料(Fe3O4)作载体，将医药负载到载体上，注射到人身体内，随血液循环，定向移动到病变部位，达到定向治疗的目的，局部治疗效果好。,催化方面的应用 光催化：由水制氢气、污水处理等。制备出纳米光催化自洁净玻璃，抗菌军服