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纳米材料本讲稿第一页，共四十六页本讲稿第二页，共四十六页本讲稿第三页，共四十六页本讲稿第四页，共四十六页一、纳米材料及技术的概念一、纳米材料及技术的概念1、宏观、微观、介观、宏观、微观、介观 在80年代以前，人类对物质的认识可分为两个层次：一是宏观，二是微观。所谓宏观宏观是指所研究的对象尺寸很大，在宏观的时间空间坐标中它的下限是有限的，而上限是无限的，一般把人的肉眼可见的物体称最小物体，宏观大的物体一般是指天体,例如地球、行星、恒星及至银河系。本讲稿第五页，共四十六页 所谓微观微观是指原子、分子、以及原于内部的原于核和电子,比原于核更小的基本粒子，比如中子、质子、介子(介子)、超子等。在微观的时空内，上限一般定义为原于和分子，但下限是无穷尽的。本讲稿第六页，共四十六页 然而在原子、分子和宏观物体中间领域是人们尚未认识和开拓的“处女地”。在这个领域中三维尺寸都很小的细小体系出现了许多既不同于宏观物体，也不同于微观体系的奇异现象。针对这个领域，科学家在80年代中期提出了介观介观（Mesoscopy）的概念。本讲稿第七页，共四十六页 从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系。介观介观体系应该包括：团簇团簇（一般定义为1nm以下原于聚合体,它是由几个到几百个原子构成，1nm=10-9m）纳米体系纳米体系（1100nm）亚微米体系亚微米体系（1001000nm，即0.11m）。本讲稿第八页，共四十六页 目前通常把亚微米级体系有关现象的研究，特别是电现象的研究称之为介观领域。对介观体系的物理问题研究称介观物理，这样，团簇和纳米体系就从这种“狭义”的介观范围独立出来。一般来说，纳米科学和纳米技术纳米科学和纳米技术的对象就是在纳米尺度上的物质世界。常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子。本讲稿第九页，共四十六页2、纳米材料、纳米材料 纳米材料是指由纳米级的结构单元构成的任何类型的材料，如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等，而这些纳米级的结构单元，如纳米粒子（零维）；纳米晶须、纳米管（一维）和纳米薄膜（二维）等，又是由原子和分子组成的。本讲稿第十页，共四十六页3、纳米技术、纳米技术 就是用以制备纳米级材料和制造纳米级微型机械的技术。目前，科学家不仅利用扫描探针显微镜能观察到物体表面原子或分子的图像，窥视纳米世界的奇观，甚至还可用来操纵和摆弄原子。早在1990年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜隧道扫描显微镜上的探针，在一块镍晶体上成功地移动了35个氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母，这3个字母拼在一起的整个宽度仅在3nm以内。本讲稿第十一页，共四十六页 扫描探针显微镜并不是操纵纳米世界的唯一工具。一种被称为分子束外延分子束外延的技术(MBE)可以一次一个原子层或分子层地制备特殊的晶体，这就像用原子进行喷绘一样。本讲稿第十二页，共四十六页 研究人员正在用这种技术制备的巨磁阻材料开发新型的不用电也能保存数据的记忆芯片记忆芯片。这种被称为基于巨磁阻的永永久久随随机机存存取取存存储储器器(MRAM)芯片可以存储100兆比特数据，预计几年内就可上市。几年后，还将可能出现具有100亿比特存储量的3维维MRAM芯芯片片。这种新型存储器的出现将使目前使用的硬盘成为历史。本讲稿第十三页，共四十六页 纳米技术的发展将使人类对自然界的控制程度逼近原子、分子，并可重新组装原子。以原子为单位，人类就可以知道癌症是怎样发生的，从而控制癌症，仿生学的问题也便可以迎刃而解。纳米技术在各方面的应用，将是一次划时代的大革命。本讲稿第十四页，共四十六页三、纳米材料的基本性质三、纳米材料的基本性质 纳米微粒呈现小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点；从而导致纳米微粒的电、热、磁、光、声、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，这就使得它具有广阔应用前景。本讲稿第十五页，共四十六页1、量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和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，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。本讲稿第十六页，共四十六页2、小尺寸效应小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。本讲稿第十七页，共四十六页3、表面效应表面效应 在单组分液体或固体内部的分子，因其周围被同类分子所包围，所受分子引力是 完全对称的，可以相互抵消合引力为零。但靠近表面的分子和处于表面上的分子，其情况与内部分子大不相同，由于力场不能相互抵消，表面分子将受到向内的拉力，从而表面上的分子比内部分子具有更高的能量，或者说表面分子比内部分子具有过剩的自由能。本讲稿第十八页，共四十六页 如果将本体物质分散成粉末，显然，其总表面积，表面原子在总原子数中所占的比例，以及表面能等都将大大增加。分散度愈高，粉末愈细，它们增加得愈多。本讲稿第十九页，共四十六页 纳米微粒的熔点、开始烧结温度比常规粉体低得多。如Au的熔点为1064，5nm金超微粉熔点为830，2nm时仅为330。又如，Ag的熔点是960，但Ag的超微粒子在100以下就可熔化，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；本讲稿第二十页，共四十六页 此外表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂。本讲稿第二十一页，共四十六页四、四、纳米技术的应用及展望纳米技术的应用及展望1、纳米技术在陶瓷领域方面的应用纳米技术在陶瓷领域方面的应用 英国著名材料专家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性陶瓷脆性的战略途径。采用纳米粉体作原料，可降低烧结温度，加降低烧结温度，加快烧结速度，提高致密度快烧结速度，提高致密度，从而大大改善烧结体的性能。纳米陶瓷将具有高硬度、高韧性、低温超塑高硬度、高韧性、低温超塑性及易加工性及易加工等传统陶瓷无与伦比的优点 本讲稿第二十二页，共四十六页2、纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用1）各种纳米器件：）各种纳米器件：可调谐的纳米发光二极管、微型探测二极管、微型探测器器已经问世。日本的日立公司成功研制出单个电单个电子晶体管子晶体管；美国已研制成功尺寸只有4nm具有开开关关持性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。本讲稿第二十三页，共四十六页2）纳米量子点：纳米量子点：美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳几十亿个这样的量子点。若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞神经细胞，再结合微细加工工艺，它将为研制智能型微型电脑带来希望。本讲稿第二十四页，共四十六页 利用纳米技术还可制成各种分子传感器传感器和探测器探测器。传感器功能要求：灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、检测精度要高、选择性要好、使用可靠等等。本讲稿第二十五页，共四十六页4、纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用 纳米技术在光电信息传输、存贮、光电信息传输、存贮、处理、运算和显示处理、运算和显示等方面的应用，使光电器件的性能大大提高。将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。美国贝尔实验室将导线已设计得细度等于头发丝的四百分之一。本讲稿第二十六页，共四十六页 如果记录媒体采用纳米层和纳米点的形式，一千张CD盘中的信息就可能存储到一个手表大小的存储器中。除了存储量千倍甚至百万倍地增加外，计算机的速度将大幅度提高。传送电磁信号(包括无线电信号和激光信号)的器件将变得更加小巧而功能却更加强大。本讲稿第二十七页，共四十六页5、纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用 纳米Ti02化妆品可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需加入05一1的纳米二氧化钛，即可充分屏蔽紫外线。纳米透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。本讲稿第二十八页，共四十六页 纳米碳管纳米碳管 可以承受100万个大气压的压力而不破裂，因此可以利用纳米碳管作为加强材料来制造轻便且刀枪不入的防弹背心或服装。纳米催化剂纳米催化剂 以粒径小于300nm的Ni和CuZn合金微粉为主要成分制成的催化剂，对有机催化反应的催化效率是传统镍催化剂的10倍。本讲稿第二十九页，共四十六页6、纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在1520nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。本讲稿第三十页，共四十六页 如果把有治疗作用或探测功能的某种材料制成小于10nm的超微粒子注入血管中，使之随血液流到身体各个部位，以便更有效地治疗疾病或进行健康检查。如用磁性氧化铁超微粒子检查人肺部的净化机能，对吸烟者和非吸烟者作了对比试验就是一例。本讲稿第三十一页，共四十六页 用玻璃超微粒子对各种细胞、细胞中各成分、病毒、细菌等进行分离。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。清华大学已制备了只有100nm那样细的泵泵，把这泵连同药物放入糖尿病患者体中，便可根据病人体内需要，随时放出适量药物，从而使患者痊愈。本讲稿第三十二页，共四十六页 分子机器人分子机器人：可利用分子机器人在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。仿生纳米材料仿生纳米材料 利用纳米技术，还可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。本讲稿第三十三页，共四十六页8、纳米技术在环境与能源领域纳米技术在环境与能源领域(1)具有小于1nm微孔的结晶体材料的催化剂的使用，形成了一个每年超过300亿美元的产业；(2)从工业废水中滤除有毒物质或筛选贵重微粒，或者能够低成本地淡化海水的选择性滤膜；(3)纳米复合材料可使汽油的燃烧量每年减少15亿公升，二氧化碳的排放量每年至少减少50亿公斤；本讲稿第三十四页，共四十六页(4)纳米耐磨损轮胎(5)纳米填加剂 美、俄等国在固体火箭燃料中加入不到1%(质量)的超微细A1粉或Ni粉，则燃料的燃烧热值可增加一倍左右。(6)纳米储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”；(7)纳米太阳能电池本讲稿第三十五页，共四十六页9、纳米技术对国家安全的影响纳米技术对国家安全的影响 (1)利用先进的纳米电子技术可以占据信息上的优势；(2)基于纳米电子学的更加先进的虚拟现实系统使军事训练变得更加经济、高效；(3)基于纳米电子学的无人驾驶战斗机由于不存在驾驶员受加速度力的限制，灵活性和作战效力可以大大提高；本讲稿第三十六页，共四十六页(4)使用重量轻的纳米结构材料，飞机和飞弹的重量可大大减轻，从而大大提高作战距离和载弹量；(5)纳米器件和系统可用于核设施的监视和管理；（6）电磁波屏蔽、隐形飞机等。本讲稿第三十七页，共四十六页10、纳米技术用于智能材料的展望、纳米技术用于智能材料的展望 科学家们期望能够在材料中加进复杂的像生命一样的功能，创造出具有像生命一样的行为的合成物，使材料变得聪明。1）比如混凝土能在内部检测到强度下降的征兆，或者能够对外来的腐蚀作出响应，释放化学物质以抵抗腐蚀。本讲稿第三十八页，共四十六页2）砖或其他建筑材料可以感觉天气状况并且通过改变其内部结构以使空气和湿气能够渗透，从而对天气变化做出响应。3）还可能制备出能在任何地点、任何时间改变形状和颜色以与环境相近的类似变色龙的伪装材料伪装材料。本讲稿第三十九页，共四十六页 4）可能制造出具有自我修复功能的合自我修复功能的合金金，这种合金会自动地填充、弥合并加强细微的裂纹。本讲稿第四十页，共四十六页五、五、纳米技术在国内外的研究情况及市场前景纳米技术在国内外的研究情况及市场前景 国外：国外：从1999年开始，美国政府决定把纳米技术研究列入21世纪第一个10年前11个关键领域之一；美国商业周刊指出的21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域(其他两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源)；美国基础研究负责人威廉姆斯称：纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业。本讲稿第四十一页，共四十六页国内：国内：许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果。中国科学院物理研究所解思深等制备出了定向纳米碳管阵列；清华大学范守善教授等利用纳米碳管制备出了氮化镓一维纳米棒；中国科学院固体物理所张立德等制成了准一维纳米丝和纳米电缆等。本讲稿第四十二页，共四十六页市场：市场：德国科学技术部预测：他们认为到今年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元 纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元 纳米加工技术市场容量将达到442亿美元 纳米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。2010年纳米技术领域产品总产值能达到22000亿马克本讲稿第四十三页，共四十六页六、结论六、结论 1、纳米技术正成为各国科技界所关注，100nm粒子的比表面积和分子生物学对人类社会和经济的影响比电子学应用的领域要广泛得多。2、纳米技术对人类的健康、财富和生活的影响至少等同于在20世纪开发的微电子学、医学成像、计算机辅助工程以及合成聚合物影响的总和。本讲稿第四十四页，共四十六页3、钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”4、尽管科学家们在纳米技术上已经取得了许多重大的进展，但仍然存在许多困难。本讲稿第四十五页，共四十六页 1)就像任何一种影响重大的新兴技术一样，这些因难不仅是技术上的，而且还有社会和伦理道德上的。2)以量子计算机为例，它的成功可能使最难对付的密码迎刃而解，但又会带来更加严重的信息安全问题。3)纳米生物学，它可使人类更加健康、寿命更长，然而长寿就意味着地球上的人口将会更多，可是地球又能承受多少人口呢?本讲稿第四十六页，共四十六页