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1、纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料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纳米技术与纳米材料一、纳米科技诞生l1959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。纳米技术与纳米材料 1974 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词。年，科学家唐尼古奇最
2、早使用纳米技术一词。19821982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫年，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。原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界。19901990年年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国月，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巴尔的摩举办，标志着纳米科技的正式诞生纳米技术与纳米材料l1990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
3、空物理实验室操纵原子成功写出“原子”二字。纳米技术与纳米材料l l朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津大学: : : : 纳米镊子纳米镊子纳米镊子纳米镊子l l碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管“秤秤秤秤”，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量纳米技术与纳米材料二、纳米技术与纳米材料二、纳米技术与纳米材料l l纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料: : : : 在纳米量级在纳米量级在纳米量级在纳米量级(1(1(1(1100nm)100nm)100nm)100nm)内调控物质内调控物质内调控物质内调控物质结构制成的具有特异性能的
4、新材料结构制成的具有特异性能的新材料结构制成的具有特异性能的新材料结构制成的具有特异性能的新材料l l四大特点四大特点四大特点四大特点: : : : 尺寸小、比表面积大、表面能高、尺寸小、比表面积大、表面能高、尺寸小、比表面积大、表面能高、尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大表面原子比例大表面原子比例大表面原子比例大l l四大效应四大效应四大效应四大效应: : : : 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应量子隧道效应、表面效应量子隧道效应、表面效应量子隧道效应、表面效应l l纳米材
5、料特性取决于纳米材料特性取决于纳米材料特性取决于纳米材料特性取决于制备方法制备方法制备方法制备方法纳米技术与纳米材料表面效应表面效应纳米技术与纳米材料小尺寸效应小尺寸效应l l由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称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。表面积显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1 1） 特殊的光学性质特殊的光学性质（2 2） 特殊的热学性质特殊的热学性质（3 3） 特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4 4） 特殊的力学性质特殊的力学
6、性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性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。能、声学特性以及化学性能等方面。纳米技术与纳米材料量子尺寸效应量子尺寸效应 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阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。效应。纳米技术与纳米材料宏观量子隧道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垒。近年来，
7、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。纳米技术与纳米材料进一步认识纳米l l蛋白质、蛋白质、蛋白质、蛋白质、DNADNADNADNA、RNARNARNARNA、病毒，都在、病毒，都在、病毒，都在、病毒，都在 1 1 1 1100nm100nm100nm100nm的范围的范围的范围的范围l l光合作用在光合作用在光合作用在光合作用在“纳米车间纳米车间纳米车间纳米车间” ” ” ” 进行进行进行进行l l细细细细胞胞胞胞中中中中的的的的一一一一些些些些结结结结构构构构单单单单元元元元都都都都
8、是是是是执执执执行行行行某某某某种种种种功功功功能能能能的的的的“纳米机械纳米机械纳米机械纳米机械”，细胞象一个，细胞象一个，细胞象一个，细胞象一个“纳米工厂纳米工厂纳米工厂纳米工厂”l l莲花荷叶出污泥而不染莲花荷叶出污泥而不染莲花荷叶出污泥而不染莲花荷叶出污泥而不染:“:“:“:“荷叶效应荷叶效应荷叶效应荷叶效应”l l纳米结构是生命现象中基本的东西纳米结构是生命现象中基本的东西纳米结构是生命现象中基本的东西纳米结构是生命现象中基本的东西量子栅栏纳米技术与纳米材料纳米存储器和DNA开关纳米材料纳米材料纳米技术与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
9、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。纳米技术与纳米材料纳米技术在美国纳米技术在美国l2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就业机会l能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料l本世纪前10年几个关键领域之一l制定了“国家纳米技术倡议”(NNI):l纳米材料l纳米电子学、光电子学和磁学l纳米医学和生物学 纳米技术与纳米材料纳米技术在美国纳米技术在美国l军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂
10、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与纳米材料 纳米技术在日本纳米技术在日本l1962年, 久保(Kubo): 久保理论l国会: 21世纪前20年的立国之本l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与纳米材料 纳米技术在其它国家纳米技术在其它国家l韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术l印度：像抓软件产业那样抓纳米科技l德国：把发展纳米技术定位在新能源
11、、新环境，全面带动纳米技术在各个领域的发展l法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金l世界都在迎接纳米时代的到来纳米技术与纳米材料 中国纳米技术进展中国纳米技术进展l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l中国科技大学:氮化镓粉体l清华大学:氮化镓纳米棒l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”纳米技术与纳米材料 中国纳米技术应用中国纳米技术应用l中科院化冶所“七五攻关”: 纳米碳化硅“八五863”: 纳米阻燃剂l中科院化学所纳米领带l超双疏性界面材料 l防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材l高强度、抑菌功能纳米技术与纳米材料三、纳米材料制
12、备三、纳米材料制备l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)纳米技术与纳米材料 化学方法制备纳米材料化学方法制备纳米材料l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l液相法 化学沉淀法(均匀沉淀法, 共沉淀法)、水解法(醇盐,卤化物)、溶胶-凝胶法、水热法等纳米技术与纳米材料物理方法制备纳米材料纳米材料l气相法惰性气体冷凝法l固相法高能球磨法搅拌磨法震动磨法纳米技术与纳米材料化学方法制备纳米颗粒纳米技术与纳米材料纳米粉体表面改性l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l表面
13、改性和表面包覆化学法为主纳米技术与纳米材料扫描隧道显微镜 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、纳米材料的表征四、纳米材料的表征STM针尖纳米技术与纳米材料l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纳米技术与纳米材料五、几种典型的纳米材料五、几种典型的纳米材料纳米技
14、术与纳米材料富勒烯C80C60纳米技术与纳米材料富勒烯的性质 超导电性l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）l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）l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。纳米技术与纳米材料 空间结构分为空间结构分为球形富勒烯球形富勒烯 管状富勒烯管状富勒烯洋葱状富勒烯洋葱状富勒烯富勒烯富勒烯纳米技术与纳米材料碳纳米管，是碳纳米管，是19911991年由日本年由日本电镜学家饭岛教授通过高分电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家辨电
15、镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。微米甚至数毫米。碳纳米管纳米技术与纳米材料碳纳米管的制备l电弧放电法l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l激光蒸发（烧蚀）法l等离子体法l热解聚合物法（化学热解法）l电解法飯島澄男纳米技术与纳米材料碳氢化合物催化分解法纳米技术与纳米材料单壁纳米管的生长2004年11月19日
16、美国科学周刊306卷纳米技术与纳米材料l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。螺旋状碳纳米管纳米技术与纳米材料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
17、燃料中，从而使燃烧效率更高。H2纳米技术与纳米材料碳纳米管整流器Intramolecular Nanotube Junctions纳米技术与纳米材料碳碳6060 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。纳米技术与纳米材料C C6060的合成方法的合成方法 l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l电弧放电法 l化学气相沉积法(CVD) C60 合成纳米技术与纳米材料l物
18、理性质物理性质 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。l化学性质化学性质 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。C C6060的物理化学性质的物理化学性质纳米技术与纳米材料应用与展望lC60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
19、。 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。纳米技术与纳米材料C60作成的分子算盘l1996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l单个分子或原子的技术，将l是下一代电子元件和开发纳l电子集成电路的关键。C C6060每每1010个一组，个一组，在铜表在铜表面形成面形成世界上世界上最小的最小的算盘。算盘。纳米技术与纳米材料l l实心的纳米棒、纳米线、量
20、子线实心的纳米棒、纳米线、量子线半导体ZnO纳米带 LaOH与纳米线NiO纳米线纳米技术与纳米材料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。 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。 纳米技术与纳米材料半导体光催化原理OHOH活性基反应能与污染物键能的对比活性基反应能与污染物键能的对比纳米技术与纳米材料几种常用的光
21、触媒纳米光触媒：纳米光触媒： TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等TiO2的优点：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纳米技术与纳米材料主要有机物光催化降解反应纳米技术与纳米材料水解沉淀法制备纳米TiO2煅烧冰水浴搅拌清洗、干燥(NH4)OHTiO2薄膜混合液(NH4)2SO4+HCl陶瓷片+水TiCl4溶液TiO2/硅藻土基多孔陶瓷复合材料制备工艺制备工艺纳米技术与纳米材料光催化技术应用领域纳米技术与纳米材料空气净化器纳米技术与纳米材料光催化循环水处理系统光催化循环水处理系统光催化循环水处理系统光催化循环水处理系统光催化技术应用领
22、域纳米技术与纳米材料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技术与纳米材料 纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，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l l纳米材料在航空航天纳米材料在航空航天纳米技术与纳米材料International Space Sta
23、tion(2001-08-20)International Space Stationl l纳米材料在航空航天纳米材料在航空航天纳米技术与纳米材料Columbus LaboratoryColumbus Laboratory把碳纳米管用作转子的纳米马达图像 l l纳米材料在航空航天纳米材料在航空航天纳米技术与纳米材料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。分子计算纳米技术与纳米材料国家安全国家安全 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。l先进的纳米电子器件在信息控制方
24、面；l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；l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；l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。纳米技术与纳米材料纳米机器人是纳米纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑生物学中最具诱惑力的内容。纳米机力的内容。纳米机器人可注入人体血器人可注入人体血管内，可以进行全管内，可以进行全身健康检查，疏通身健康检查，疏通脑血管中的血栓，脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。杀死癌细胞。生物医药生物医药纳米技术与纳
25、米材料 对纳米最有兴趣的恐怕要对纳米最有兴趣的恐怕要数医药公司了。依靠纳米数医药公司了。依靠纳米技术很容易把药物直接送技术很容易把药物直接送到肺、心、肝、肾和大脑到肺、心、肝、肾和大脑中去，轻易进入皮肤，穿中去，轻易进入皮肤，穿越血管，可是，越血管，可是，这些这些这些这些“伟伟伟伟大能力大能力大能力大能力”治病救人却又很治病救人却又很治病救人却又很治病救人却又很让人担心，因为它对人体让人担心，因为它对人体让人担心，因为它对人体让人担心，因为它对人体的破坏性也同样巨大。的破坏性也同样巨大。的破坏性也同样巨大。的破坏性也同样巨大。 生物医药生物医药纳米技术与纳米材料纳米稀土材料l稀土元素本身具有丰富的电子结构，表现出许多光、电、磁的特性。稀土纳米化后，表现出许多特性，如小尺寸效应、高比表面效应、量子效应、极强的光、电、磁性质、超导性、高化学活性等，能大大提高材料的性能和功能。纳米技术与纳米材料纳米技术与纳米材料纳米稀土发光材料纳米技术与纳米材料热销稀土纳米强化工程塑料热销稀土纳米强化工程塑料纳米纳米材料材料新技术翘动涂料建筑市场新技术翘动涂料建筑市场 无放射，蓄光自发光稀土材料无放射，蓄光自发光稀土材料纳米稀土材料应用纳米技术与纳米材料
