现代科学技术概论2(纳米科技)课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,纳米科技概述,因发明扫描隧道显微镜（,STM,）而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士曾在写信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、并首先学习和使用它的国家。”,2.1.1,什么是纳米？,纳米,（,nano,meter,，,nm,）,是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度，,1,纳米,=10,-9,米。,纳米科学（,nano,-science,）,研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。,纳米科学技术（,nano,-technology,）,是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代技术结合的产物。,纳米有多小,？,一米的十亿分之一,(,10,-9,米,),。人的一根头发丝的直径的万分之一（人头发直径约为,80100,微米）。形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。,千米 米 厘米 毫米 微米 纳米,10,3,1 10,-2,10,-3,10,-6,10,-9,纳米结构,:,通常是指尺寸在,100nm,以下的微小,结构。,通过电子显微镜,我们可以观察到莲叶表面存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺寸约,10,个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。在突包间的凹陷部分充满着空气,这样就紧贴叶面形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层,从而使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等落在叶面上后,不会大范围直接接触叶面,而要隔着一层极薄的空气,并且其能接触的点也只是叶面上若干个凸起的点。,照理说荷叶的基本化学成分是多醣类的碳水化合物，有许多的羟基（,-OH,）、（,-NH,）等极性原子团，在自然环境中很容易吸附水分或污垢。但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。经过科学家的观察研究，在,1990,年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。,叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上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，由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面自我洁净的奥妙所在。,这是自然界中生物长期进化的结果,正是这种特殊的纳米结构,使得荷叶表面不沾水滴,可以保持清洁：当荷叶上有水时,水会在自身表面张力的作用下形成球状。风吹动水珠在叶面上滚动时,水珠可以沾起叶面上的灰尘,并从上面高速滑落,从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。,扫描电镜下荷叶表面突包,这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上,例如：经过纳米处理的玻璃本身也可以具有自洁效果。还有企业利用纳米技术处理涂料,涂上此涂料的物体因而也拥有了自洁效果。也许在未来的世界中,我们周围将不断出现不会脏的地板、墙壁,和没有灰尘的无线电用品。,鹅毛和鸭毛是防水的。原来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，但却极易通气，故鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。,2,、飞檐走壁的壁虎,专家说,“,壁虎漫步”靠的不是吸盘,而是脚趾上数以万计的细小刚毛。刚毛根部有几十微米粗，顶端分成很多更细更弯的绒毛，每根绒毛的直径仅几百纳米，其末梢延展成扁平形。此种精细结构，使得壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱，但足以使所谓的范德华键,(,有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电引力相互吸引，使两者结合在一起，称为范德华键或分子键,),发挥作用，为壁虎提供数百万个的附着点，从而支撑其体重。,这种附着力可通过“剥落”轻易打破，就像撕开胶带一样，因此壁虎能够自由穿过天花板。,在现实生活中,我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中,演员们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走,给飞行器进行“体检”。,壁虎可以在任何墙面上爬行,反贴在天花板上,甚至用一只脚在天花板上倒挂。它依靠的就是纳米技术。,3,、贝类,娴熟的黏合高手,当贝类想把自己贴在一块岩石上时，就会打开贝壳，把触角贴到岩石上，它将触角拱成一个吸盘，然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束：释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫，起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个“减震器”上。这样，它们就可以随波起伏，而不至于受伤。这种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。,4,、“上善若水”的水黾（,Mn,）,小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”，因为它不仅能在水面上滑行，而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是，既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。,在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽，吸附在构槽中的气泡形成气垫，这些气垫阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性,(,超强的不沾水的特性,),。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。,5,、五彩斑斓的蝴蝶,蝴蝶翅膀由两层仅有,34,微米厚的鳞片组成，上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替，每个鳞片的构造也很复杂，而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体，也就是纳米结构。通过这种结构，蝴蝶翅膀能捕捉光线，仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。,蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质,它们就像圣诞树上小小的彩灯,在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。,6,、利用“罗盘”定位的蜜蜂,研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。,当蜜蜂采蜜归来时，实际上就是把自己原来存储的图像和沿途所见的图像进行对比。如果两个图像一致，即可据此来判断出蜂巢的所在。利用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数千米的旅程。,7,、蛛丝的潜力,蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于普通人而言，蜘蛛网并不是什么了不起的东西，用扫帚轻轻一拂，蛛网就被扫掉了。但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直径有,100,纳米左右，是真正的纯天然纳米纤维。如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索，可以吊起上千吨重的物体，其强度能与钢索相媲美。,除了用于捕捉飞虫外，几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有几种腺体，被称为吐丝器。各种腺体产生不同类型蛛丝，腺体顶端有喷丝头，其上有数千只小孔，喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。通常，,1000,根蛛丝合并后比人的头发丝还要细,1/10,。,硅藻的名字，来源于它们的细胞壁含有大量的结晶硅。硅藻的细胞壁由,SiO,2,组成，在显微镜下，呈纤巧精细的丝网状，结构极为复杂精密。,硅藻土是由硅藻的遗骸堆积而成，是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由古代硅藻遗体组成，主要成分是无定型,SiO,2,、,SiO,2,是评价硅藻土原土质量的一个重要参数，含量越高土的质量越好。,硅藻土,都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在,20100,纳米。所以硅藻土是天然的纳米孔材料。,7,、硅藻土,硅藻土是二十一世纪最具生态环保特征不可再生的纳米孔径环境新材料，因其独特的矿物结构和优异的特性，广泛应用于环保、建材、化工、食品、农业、家居生活及医药等领域，具有极为广阔的市场空间。,8,、墨,徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓“精烟徽墨”）和树胶及少量香料及水分制成，所以很名贵。,中国古代利用燃烧蜡烛来收集炭黑作为墨的原料以及用作着色的染料，这是最早的纳米材料。,自然界中还有很多很多纳米技术存在，随着人类的科学技术不断发展，这些自然界的纳米技术会慢慢被发掘，并且应用到人类的日常生活生产中来。,2.1.3,纳米科技发展历程,1,、历史错过的机遇,近现代，约,1861,年，科学家发现了一种新的现象,胶体（直径,1100nm,粒子构成的系统），并对此展开了研究，并建立了化学学科的一个新分支：胶体化学。但是当时的化学家们并没有意识到在这样一个尺度范围是人们认识世界的一个新的层次，而只是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究，历史就此错过。,1959,年,费曼在一次题为,在底部还有很大空间,（“,There is Plenty of Room at the Bottom.”,）著名的演讲中提出,“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来,。可以说这些是关于纳米技术的最早的梦想。,最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者,理查德,费曼,(Richard P Feynman),纳米科技之父,。,2,、纳米科技的发展史,1962年,，久保（,Kubo,）及其合作者针对金属超微粒子的研究，提出了著名的久保理论（超微颗粒的量子限域理论），从而推动实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索；,1970年,，美国,IBM,实验室的江崎和朱兆祥首先提出了半导体超晶格概念；,20,世纪,70,年代末到,80,年代初,，科学家们对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究。1984年，,德国,萨尔大学的,Gleiter,首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子，并提出了纳米材料界面结构模型；1985年，,Kroto,等人采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现了,C,60,和,C,70,新谱线。,1990,年,7,月,，在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议，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。从此，纳米材料科学作为一个比较独立的学科诞生。纳米科技进入快速发展期。,扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展起到了巨大的推进作用。,STM,是,20,世纪,80,年代世界十大科技成就之一。,20,世纪,80,年代初期，美国,IBM,公司在瑞士的苏黎世实验室的,Binnig,和,Rohrer,教授发明了扫描隧道显微镜（,Scanning TunnelingMicroscopy,，,STM,）。,3,、纳米世界的眼和手,扫描隧道显微镜,这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时观测到原子在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，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此这两位科学家与电子显微镜的创制者,ERrska,教授一起荣获,1986,年诺贝尔物理奖。,扫描隧道显微镜能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作为在极其细微的尺度即纳米尺度上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。,基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描,。它是用一个极细的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于,1,纳米）时，,针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。,此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（,10,-9,A,）的,隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，,保持针尖与样品表面间距的恒定，,控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（,x,y,z),移动扫描,时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。,扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达,0.1,纳米，纵向可优于,0.01,纳米，,能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界,。,它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。,STM,头部,高序石墨原子,STM,图象,用,STM,描绘样品表面三维的原子结构,:,硅表面硅原子,STM,图象,1990,年，纳米技术获得了重大突破。,美国,IBM,公司,阿尔马登研究中心（,Almaden,Research,Center,）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们,使用,STM,把,35,个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面 组成了,“,IBM,”,三个字母,，这三个字母加起来不到,3,纳米长，成为,世界上最小的,IBM,商标,。,1991,年,IBM,公司,的,“,拼字,”,科研小组利用,STM,把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距约,0.5,纳米的,“,分子人,”,，这个,“,分子人,”,从头到脚只有,5,纳米，堪称,世界上最小的人形图案,。,1993,年,中国科学院,北京真空物理实验室,用,STM,操纵硅原子写出“中国”两个字,，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,（在室温下，用,STM,的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国”的图形。）,中国科学院化学所的科技人员利用,STM,在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的,世界上最小的中国地图,。,纳米算盘,C,60,每,10,个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。,纳米皇冠,目前市场上炒作的,“,纳米,”,主要指纳米材料。,衡量纳米材料的两把尺子：,颗粒粒径是否介于,1,个纳米到,100,个纳米之间的，均匀度怎么样；,是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。,这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而出现许多新奇特性。如：铜是电的良导体，而,纳米铜,则是电的绝缘体；硅是半导体，而,纳米硅,则是良导体；陶瓷易碎，而,纳米陶瓷,既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而,纳米纤维,既不沾水又不沾油。,2.1.4,如何区分纳米和伪纳米,2.2,纳米材料的特性（纳米效应）,传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分子，通常所测得的体系的各种物理化学性质都是大量粒子的平均行为。实际上，热力学规律成立的前提条件就是由大量粒子组成的体系；那么，当研究对象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的微观世界，变成一个原子或一个分子时，是否还会遵循传统理论和规律呢？,水可能是我们最熟悉的东西，我们知道油水是不相溶的，无论宏观尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你没有办法把它混在一起。但是如果到了纳米尺度上，也就是说在这个微观世界里，它们就能够溶得非常好，成为热力学的稳定相。,1,、表面效应,2,、小尺寸效应,3,、量子尺寸效应,4,、宏观量子隧道效应,从通常的关于微观和宏观的观点看，纳米级这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。,当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,1,、表面效应,纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。,纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有,很高的化学活性。,超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。如要防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。,利用表面活性，金属纳米颗粒有望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料。用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。,粒子的大小与表面原子数的关系,直径,/nm,1,5,10,100,原子总数,N,30,4000,30000,30000000,表面原子百分比,99,40,20,2,2.,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。,铂黑能吸附大量的氢、氧等气体，在许多气体反应中可用作催化剂。,将铂黑镀在铂或金电极的表面上，常用作氢电极或其他气体电极。,（,1,）特殊的光学性质：,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即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时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑，银白色的铂变成铂黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于,1%,，大约几纳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。,F,117A,型隐身战斗机,1991,年春的海湾战争，美国,F,117A,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。,（,2,）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。,由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些原子近邻配位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒的熔点急剧下降。,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。,（,3,）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。,趋磁细菌的细胞中有一种,“,磁小体,”,。每个磁小体都是一个被磷脂膜包覆的高纯度、纳米级、有独特结构的,单磁畴小晶体,。这些磁小体沿细胞的长轴排列成链状，使每个细菌都成了一个小小,“,指南针,”,，彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来。,（,a,）活的细菌体内完整的磁小体,（,b,）获得的磁小体链,小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为,80,安米，而当颗粒尺寸减小到,20,纳米以下时，其,矫顽力可增加,1,千倍,，若进一步减小其尺寸，大约小于,6,纳米时，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,，,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、磁性传感器、选矿等领域。,磁性液体,（,magnetic liquids,）是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。,（,4,）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。,研究表明纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬,3,5,倍。对于金属,-,陶瓷复合纳米材料，其应用前景十分宽广。,例如：,钴,-,碳化钨,纳米复合材料具有高硬、高强的特征，可应用于集成电路板、微型钻头、点阵打印机打印针头、耐磨零部件、军用装备等方面。,（,5,）特殊的电学性质：,由于纳米颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。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，当纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，纳米颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入颗粒内，从而切断了电流的连续性；,电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输通常这种单电子输运行为称,库仑堵塞效应,。,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。,（,6,）,超微纳米颗粒的不稳定性,：超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径,2nm,）进行观察，发现这些颗粒,没有固定的形态,，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了,沸腾状态,，尺寸大于,10nm,后才看不到这种颗粒结构的不稳定性。,3,、量子尺寸效应,费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，但当粒子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（离散能级）的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象均称为,量子尺寸效应。,对于宏观物体包含无限个原子，,N,，宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，,N,值很小，能级间距将发生分裂，这就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性不同，产生量子尺寸效应。,例如，温度为,1K,时，直径小于,14nm,的银纳米颗粒会变成绝缘体。,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。,纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在,1100nm,间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。,纳米材料分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为,1100nm,的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。人们习惯于把组成或晶粒结构控制在,100nm,以下的长度尺寸称为纳米材料。,2.3,纳米材料,纳米材料与纳米技术的关系,在纳米尺度（,1100nm,）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术称为,纳米技术,。,单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不能称为纳米技术。,如香烟的烟灰或自然土壤中存在的纳米粉末，虽然它们也能够达到一百个纳米以内的尺度，但是，因为它们没有特殊的结构和技术性能表现，所以这些材料还不能称为纳米技术。,纳米科技,纳米科学,纳米技术,纳米物理学,纳米化学,纳米材料学,纳米电子学,纳米光学,纳米器件,纳米加工,制备,纳米检测,与表征,纳米材料,纳米电路,纳米电子器件,纳米传感器,纳米芯片,纳米机械,纳米机电系统,纳米马达,纳米探针,纳米扫描,零维纳米材料,一维纳米材料,二维纳米 材料,三维纳米材料,纳米医学,纳米生物,纳米光刻,纳米操纵,纳米探针,2.3.1,纳米材料的分类,1,、按维数：,零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等；,一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米纤维、纳米棒、纳米管等；,二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如纳米薄膜；,三维纳米材料（纳米固体材料）：指由纳米粉末在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如,5 nm,颗粒所构成的固体每立方厘米将含,1019,个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。,纳米颗粒型材料也称纳米粉末,可用于制备高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、敏感元件、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。,碳纳米管,1991,年，日本科学家,饭岛澄男,发现碳纳米管。,石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。,这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的,1/6,，而强度却是钢的,100,倍。若用碳纳米管做绳索，是惟一可从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。,多孔纳米线,纳米膜材料,纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。,纳米固体材料,Fe-B,纳米棒,界面区域原子数目约占总原子数目的,30%-50%,的人工凝聚态固体。,纳米固体基本由三部分组成,:,一是具有不同取向的晶粒组成的晶相成分,;,二是结构各不相同的晶界和自由表面构成的界面网络,;,三是晶粒间空隙组成的空隙缺陷网络。,大量的界面及空隙是影响纳米固体材料的主要因素之一。,2,、按化学组分可分为：,纳米金属,纳米晶体,纳米陶瓷,纳米玻璃,纳米高分子,纳米复合材料,3,、按材料物性可分为：,纳米半导体,纳米磁性材料,纳米非线性光学材料,纳米铁电体,纳米超导材料,纳米热电材料,4,、按应用领域可分为：,纳米电子材料,纳米光电子材料,纳米生物医药材料,纳米敏感材料,纳米储能材料,2.3.2.1,纳米陶瓷材料,纳米陶瓷：指显微结构中的物相（包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等）都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。,现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是微米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级范围时，晶粒表面积和晶界体积会以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之剧增。由于颗粒的粒度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。,利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，为陶瓷的应用开拓了新领域。,2.3.2,典型的纳米材料,纳米陶瓷材料、碳纳米管,1,、纳米陶瓷的性能：,高强度：,纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出,45,倍，如在,100,下，纳米,TiO,2,陶瓷的显微硬度为,13000kN/mm,2,，普通,TiO,2,陶瓷的显微硬度低于,2000kN/mm,2,。研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改善，对,Al,2,O,3,/SiC,系统来说，纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提高了,34,倍。,韧性：,传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性。如室温下的纳米,TiO,2,陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的,1/4,仍不破碎。,c.,超塑性：,超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下,，材料产生较大的拉伸形变。研究发现，纳米陶瓷,(100nm,左右,),在室温拉伸试验后，其样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达百分之几百，并从断口侧面观察到了大量,通常出现在金属断口的滑移线，确认纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。,d.,烧结特性：,纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低,600,，烧结过程也大大缩短。,12nm,的,TiO,2,粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度,400600,下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加,3%Y,2,O,3,的,ZrO,2,纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这两个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。,生物领域,生物功能陶瓷能够模仿人体某些特殊生理行为，可以用来构成牙齿和骨骼等某些人体部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织器官，或者增加其功能。,纳米保健陶瓷片,2,、纳米陶瓷的应用,压电方面,由于纳米陶瓷晶体结构上没有对称中心，具有压电效应。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体，以提高压电热解材料机电转换和热释性能。,压电陶瓷驱动器,压电变压器,坚韧方面,纳米功能陶瓷很好地解决了陶瓷的脆性问题，将纳米金属颗粒尤其是高温合金相制成的纳米颗粒，加入到陶瓷材料中，可以使陶瓷的韧性和抗冲击力得到很大的提高，又不降低原有的强度和硬度。,纳米陶瓷刀,机床滚动轴承,汽车工业,纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、超塑性、高耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽车工业中的应用领域。,手动挡杆,纳米陶瓷轴承,信息领域,电子陶瓷的应用范围日趋广阔，包括基板、传感器、感测器、电容器、压电蜂鸣器和热敏电阻等。,纳米传感器,纳米电容,涂料工业,纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保温效果，不燃烧、不脱落、耐水、防潮、无毒，对环境没有污染。,纳米陶瓷粉末涂料,耐高温透明纳米陶瓷涂料,金属表面晶体缺陷修复真实金属或合金晶体的表面几乎都有缺陷，表面缺陷的存在对表面物理、表面化学、表面晶相等均有显著影响。当我们向润滑油中添加一定比例的纳米级的金属陶瓷材料时，这些新鲜的金属表面的悬空键便会迅速与纳米金属材料结合，形成牢固的共价键或金属键结构。,纳米陶瓷润滑油,2.3.2.2,碳纳米管,1991年，日本,NEC,公司,S Iijima，,为了观察电弧蒸发石墨得到的各种产物，在不断改变实验条件过程中，发现所得到的产物中除了制备,C,60,时出现的灰状产物以外，在电极上还有一些呈针状的产物。将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察，发现该针状物是直径为430,nm,，长约1微米，由2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离为0.34,nm,。进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由碳原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将其想象成是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空管体，而在这些管体的两端可能是由富勒烯形成帽子，这就是多壁纳米碳管。在,Nature,发表文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。,1993年，,S Iijima,等和,DS Bethune,等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的纳米碳管，即单壁纳米碳管产物。,单壁碳纳米管（,Single-walled nanotubes,SWNTs,）：,由一层石墨烯片组成，单壁管典型的直径和长度分别为,0.75,3nm,和,1,50m,。又称富勒管,(Fullerenes tubes),。,多壁碳纳米管（,Multi-walled nanotubes,MWNTs,）：,含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从,2,50,不等，层间距为,0.340.01nm,，与石墨层间距,(0.34nm),相当。多壁管的典型直径和长度分别为,2,30nm,和,0.1,50m,。,单壁碳纳米管,多壁碳纳米管,1,、制备方法,近年来发展建立起来的碳纳米材料制备方法也多种多样，可大致归为以下几种：石墨电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法、热解聚合物法、火焰法、离子辐射法、电解法、原位合成法、模板法等。,A.,电弧放电法：,石墨电弧法是最早用于制备纳米碳管的工艺方法。后经过优化工艺，每次可制得克量级的纳米碳管。此法是在真空反应室中充惰性气体或氢气。采用较粗大的石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极，在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断的被消耗。同时在石墨阴极上沉积出含有纳米碳管的产物。采用此法合成纳米碳管时。工艺参数的改变如更换阴极材料或改变惰性气体都将大大影响纳米碳管的产率。除此之外。改变在阳极组成或直径、或在石墨极中添加,Y,2,O,3,等也有很好的效果。,特点,：简单快速，但产品缺陷多，产量很低，仅局限在实验室中应用，不适于大批量连续生产。,B.,激光蒸发法：,1996,年,Smalley,等首次使用激光蒸发法实现了单壁纳米碳管的批量制备。他们采用类似的实验设备，通过激光蒸发过渡金属与石墨的复合材料棒制备出多壁纳米碳管。与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂,/,石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至,1200,时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。,产率：,在催化剂合适的条件下，可大量制备单层碳纳米管，一般产率可达,70%,。,优点：,主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。,缺点：,需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。,C.,化学气相沉积法,(,催化热裂解法,),：,化学气相沉积法（,CVD,）是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是,SWNTs,的技术。基本原理为含碳气体流经催化剂表面时分解，沉积生成纳米碳管。以含碳气体（一般为烃类气体或,CO,）为给料气体供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如,Fe,、,Co,、,Mo,、,Ni,等及其氧化物）的作用下直接在衬底表面裂解合成出,SWNTs,。,特点：,制备时温度较低（一般控制在,500,1000),