纳米材料介绍课件.ppt

*,物理科学与技术学院,方 鹏 飞,材 料 科 学,第五章 纳米材料,通识教育材料科学,5.1 纳米和纳米技术,纳米,（,Nano meter,）又称毫微米，是一种长度单位.把,1,米分成,10,亿份,每一份就是,1,纳米（,1nm=10,-9,m,）。,1982,年,一种奇特的显微镜,(,扫描隧道显微镜,),发明后,便诞生了一门以,0.1,至,100,纳米尺度空间为研究对象的前沿学科,也就是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新学科,它就是纳米科技。,蛋白质、,DNA,、,RNA,、,病毒，都在,1100,nm,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,纳米技术的发展历史,1959,年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能够移动原子，那么这将给科学带来什么！”,对纳米科技的预言人们常说的小尺寸大世界。,1990,年,7,月，在美国巴尔的摩召开了国际首届,纳米科学技术会议,；,在未来的,20,至,30,年内,纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻影响,:,一、社会生产途径,；,二、人类生活方式,；,三、人们思维模式,。,所以,纳米技术的出现,标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶。,5.1.1,纳米电子学,电子器件的集成度已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。,纳米电子器件中最有应用前景的是,量子元器件,。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有,高速、低耗和电路简化的特点,。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的,单电子器件,。开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的100010000分之一。,基于利用,STM,对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。,物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”,，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？,一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！,1998年IBM公司用,原子排成的世界上最小的广告,-,-,IBM,5.1.2,纳米材料学,科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。,硅表面重构的原子照片,纳米陶瓷材料,能够弯曲180度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来,汽车、飞机发动机,的理想材料。,具有未来超级纤维之称的,碳纳米管,是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的,强度比钢高100倍,，但是,重量只有钢的六分之一,；它的导电性十分怪异,，,不同结构碳纳米管的导电性可能呈现,良导体,、,半导体,、甚至,绝缘体,。因此它也许能成为,纳米级印刷电路,的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。,碳纳米管,太空升降机,由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以,经得住自身的重量,。到那个时候，人类到,太空旅行,将是一件轻而易举的事情。,纳米壁挂电视,用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有,柔性,，同时可以,在电场的作用下发出各种颜色的光,。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。,纳米固体燃料,实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使,火箭,具有更大的推动力。,纳米隐身飞机,在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效,吸收雷达波,这就是隐身飞机。,纳米卫星,、,微型飞船,和,原子精密度计算机,都将一一成为现实。,5.1.3,纳米机械学,车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而,纳米制造技术,则是以相反的方向，,直接由原子、分子来完整地构造器件,。科学家们已经用,原子、分子操纵技术,、,纳米加工技术,、,分子自组装技术,等新科技制造了,纳米齿轮,、,纳米电池,、,纳米探针,、,分子泵,、,分子开关,和,分子马达,等。,分子自组装,纳米齿轮,纳米机械产品,用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的,汽车,、,微型车床,可望钻进核电站管道系统检查裂缝,;,只有蜜蜂大小且能升空的,直升机,;,眼睛几乎看不见的,发动机,;,提供化工使用的火柴盒大小的,反应器,。,纳米机器人,机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪,沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞,。,纳米机器人将包含有,纳米计算机,和可以进行,人机对话的装置,。,纳米算盘,5.1.4,纳米生物学,生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以,对分子的操纵和改性,为目标的。,生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如,生物器件,。它的特点是象遗传基因分子那样具有,自我复制,功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的,生命零件,，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的,生物计算机,；具有特定功能的,纳米生物机器人,；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成,具有生命功能,的,纳米电路,等。,纳米人造细胞,不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有,纳米计算机,、,纳米泵,，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。,科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如,大肠杆菌,等细菌的移动靠的是一种称为,鞭毛马达,的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有,30,至,50,纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重,60,公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。,由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象,脑血栓、动脉硬化,等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以,为人体传送药物,，进行,细胞修复,等工作,纳米机器人在疏通血管,铜表面原子的重构：,4 8 个铁原子构成围栏，內部形成电子驻波。,5.2 国际纳米技术发展的态势,美国启动纳米技术促进计划,克林顿,说：“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划”。,科学技术主席助理（1984年4月）,Neal Lane,说：“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程,。”,威廉姆斯说：“纳米技术对经济社会的影响将超过计算机”,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。,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,军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料,日本和德国出台了相应的研究计划,日本,政府和国会作出决定：要向抓微电子那样抓纳米技术，把发展纳米技术作为21世纪前20年立国之本。,德国,：纳米技术是21世纪高科技的制高点。,2000年布署了跨部门的六大中心,发展纳米技术.,1962年,久保(Kubo):久保理论,日本国会:21世纪前20年的立国之本,日本著名大企业: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,其他国家的纳米科技发展概况,印度,：要向抓软件产业那样，快速发展纳米技术。,韩国和瑞典,：2001年对纳米科技投入增长最快的国家。,纳米技术是新世纪的主导技术,什么是主导技术？,工业革命以来已经历了三次主导技术，引发了三次工业革命,科学革命,技术革命,产业革命,第一次产业革命(1734-1834,）,主导技术：蒸汽机 动力变革，,热能、机械能,科学基础：牛顿力学、热力学、,能量转化原理,第二次产业革命（1835-1914）,科学基础：电的发现,电磁理论,主导技术：电气化技术,(发电机和电动机、电力传输、,无线电通讯),第三次产业革命（1945-2010？）,科学基础：X射线的发现,放射线的发现,半导体的发现,主导技术：微米技术,微电子技术,三次产业革命的启示:,1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；,2.主导技术经历了孕育期,生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年；,3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；,4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。,为什么纳米技术会引发新的产业革命,科学基础,中间领域的重大发现,科学框架的建立,纳米技术的产业革命,纳米科学的内涵,制高点,n-电子学,n-加工,n-生物,基 础,n-材料,n-材料,基 础,纳米物理,纳米化学,纳米力学,纳米技术新工业革命的主导技术,存储密度：10,6,10,11,=10万个磁盘,读写速度：1GB 20GB,纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术。,20世纪,高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB,计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍,纳米技术,21世纪,DNA芯片,节省能源,利用资源,优化环境,新工业革命,纳米技术,医疗药物,环境能源,宇航交通,生物农业,电子器件计算机,国家安全,新材料制 造,传统产业,推动GDP快速增长,对关键问题的影响力,中国占,多少份额,市场分析,投资情况,印度：加大投入发展纳米产业,1997年 2000年 2002年,美国 1.93 4.98 5.19,日本 1.98 4.2 5,德国 1.91 3.7 4.3,单位：亿美元,罗雷尔-诺贝尔物理奖获得者,七十年度重视微米技术的国家都已成为发达国家,现在重视,纳米技术,的国家有可能成为下一世纪的先进国家,中国在21世纪魔术般的成为超级先进国家，,纳米技术,是可选择的重要途径。,乔纳森.斯彭斯-美国耶鲁大学中国现代史教授,名人预测,5.3 纳米材料的特性,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或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：,(1),零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；,(2),一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如 纳米丝、纳米棒、纳米管等；,(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜,;,超晶格等。,实心的纳米棒、纳米线、量子线,因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。,纳米材料大部分都是用人工研究、制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。,1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。很快形成了世界性的“纳米热”。,大致可以划分为,3,个阶段：,第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。,第二阶段(1994年前)人们关注的热点是设计纳米复合材料：,纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，,纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，,复合纳米薄膜(0-2复合)。,第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。,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,称量单个原子重量的,“,纳米秤”,DNA,开关,纳米材料的特性,A.特殊的,光学,性质,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。,尺寸越小，颜色愈黑,，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。,金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于,l,，大约几微米的厚度就能,完全消光,。利用这个特性可以高效率地将,太阳能,转变为热能、电能。还可能应用于,红外敏感元件,、,红外隐身技术,等。1991年春的,海湾战争,，美国,F117A型隐身战斗机,外表所包覆的材料中就包含有,多种纳米超微颗粒,，它们对不同波段的电磁波有强烈的,吸收能力,，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。,B,.,特殊的,热学,性质,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其,熔点将显著降低,，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。,例如，,金,的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；,银,的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。,金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为,火箭的固体燃料、催化剂,。例如,在火箭发射的固体燃料推进剂中添加,l重量比,的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可,增加 l 倍。,C.特殊的,磁学,性质,人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2*10,-2,微米的磁性氧化物颗粒。,当颗粒尺寸减小到 2*10,-2,微米以下时，其,矫顽力可增加1千倍,，若进一步减小其尺寸，大约小于,6*10,-3,微米时，其矫顽力反而降低到零,，呈现出,超顺磁性,。,利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的,磁记录磁粉,，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的,磁性液体,。,D.,特殊的,力学,性质,由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的,表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其,强度、柔韧度、延展性,都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有,良好的韧性,。,研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于,金属-陶瓷,等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。,E.,特殊的,电学,性质,由于颗粒内的电子运动受到限制，,电子能量被量子化,了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上,合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电,。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；,而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。,还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。,这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓的,单电子器件,。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。,纳米,材料,的应用,能源领域,石油、煤等不可再生资源,环保领域,解决水污染的问题,解决空气污染的问题,微电子,纳米电子器件、纳米线、,纳米传感器,信息领域,光纤、发光器件,纳米,材料,的应用,功能性涂料,、薄膜,防静电涂料,特殊视觉涂料,紫外线吸收涂层,耐磨,、防腐、耐高温、耐冲刷涂层,机械,纳米结构单元和纳米机械,结构陶瓷,增强、增韧、助烧结,纳米,材料,的应用,化学化工,催化剂,、助,催化剂,、阻燃,剂,镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在,5nm,以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大,塑料和橡胶,制品成型剂,、,补强剂,、抗老化,剂,OA领域,复印机和激光打印机的墨粉,喷墨打印机墨水,、高级,墨水,纳米,材料,的应用,纳米药物,磁性纳米粒子药物,卫生保健品,防晒霜,纺织品,反射红外线型化纤,杀菌灭菌除臭型化纤,纳米,材料,的应用,纳米探测系统,纳米材料提高武器打击,纳米材料提高防护能力,纳米机械系统制造的小型机器人,雷达隐身技术,美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达,99,法国:,Co-Ni,纳米颗粒包覆绝缘层,纳米领带,卫浴产品,:,耀眼的成果,荷叶效应,高强度汽车材料,高效环保阻燃材料,阻隔性材料,一、主流健康，发展势头良好,2001年,总投资：1亿元,注册资金：60亿元,1995,2000,0,60,120,180,240,300,360,1998,公司数量,年份,2001,四、对我国纳米技术产业现状的评价,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图,1993,年，,中科院,操纵原子写字,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,全国范围,三百多,家纳米企业,以“纳米”注册的企业近百家,数十条纳米材料生产线,资金约百亿元,存在的问题,1.三个不够,科学内涵宣传的不够,全面宣传纳米科技领域不够,创新难度宣传的不够,2.对纳米技术发展的阶段认识得不够,21世纪，高科技产业如信息、生物技术、资源环境、新型能源、宇航、海洋和新材料等领域都面临着新的挑战，纳米技术的切入，使这些高科技领域的发展出现新的机遇，蕴藏着巨大的潜力。,机遇,信息产业,单电子,器件,磁电子,器件,过滤器,截止器,谐振器,微电容,微电极,自旋电,子器件,共振隧,穿器件,光电子,器件,巨磁电,阻器件,量子点和分子电子器件,纳米结构器件,纳米加工,环 境,纳米技术能消除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物。,环境探测器,纳米结构反应器,能 源,新能源发现：,非可燃气体,NT,可燃气体,提高能量,转化效率,太阳能,30%,电能,氢能源利用,海底天然气利用,热能,提高10%,电能,化学能,长寿高效,电能,生物、医药,纳米的靶向药物,高效缓释药物,细胞内传感器,生物芯片,纳米生物探测技术,新材料,轻质、高强,多功能，智能，自清洁,高聚物和纳米复合物,高表面积多孔材料,净化、分离、催化,生物相容、自我调整,药物分配器,3.我国纳米产业发展的目标,全方位向传统产业渗透，调整产品结构，推进传统产业业态升级；,建立若干个纳米技术为主导的新兴产业基地，初步形成具有自主知识产权的新兴纳米产业链；,向信息、生物医药、能源环境、宇航等高科技领域切入，在若干方面形成新的高科技产品平台，实现跨跃式发展，使我国纳米科技开发与应用水平居于国际前列。,4我国应重点发展的关,健纳米材料和技术,特种纳米材料规模生产技术,纳米技术对传统材料的改性,信息产业中的关健纳米材料,合理利用能源和开发新能源,中的关键纳米材料和技术,优化资源环境中的关键,纳米材料和技术,纳米材料在医药、生物技术中应用,我国发展纳米材料和技术要坚持以市场为导向，注意纳米技术和现有高科技和传统技术相结合。,从事纳米研究和开发的科技人员要和其他专业人员相结合，也要与企业家相结合；,企业家是纳米科技成果产业化的主力，科技人员起先导的作用；,5.政策和措施,要选准目标、切入点和突破口，缩短纳米科技成果转化的周期；,要注意知识产权的保护，鼓励申请发明专利，特别重视申请国外的发明专利；,建议各级政府设立纳米科技研究的快速反应基金和纳米产业发展的风险投资基金。,结语,1993,年，因发明,STM,而获得诺贝尔奖的科学家,罗雷尔,博士在,写给江泽民主席的信,中指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与,150,年前,微米科技,所具有的希望和重要意义。,150,年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中,占据了巨大的优势,。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习使用它的国家。”,罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展的重要作用。,纳米科技的发展和应用必将促进人类文明的进步。,再 见！,