6-1 化学与材料-纳米材料.ppt

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1、化学与社会6、化学与材料-纳米材料化学化工学院化学化工学院2012年年11月月纳米与纳米技术Nano and Nanotechnologyl 纳米(nm)：长度单位，1m=109 nm,人 头发丝的直径相当于6万纳米,创造具有特定功能的新物质。l 纳米材料：当物质颗粒小到纳米量级(100nm)后，这种物质就可被称为纳米材料。l 纳米效应：同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。花粉是纳米级的粒子花粉是纳米级的粒子 室内的灰尘是纳米级的粒子室内的灰尘是纳米级的粒子,其光环其光环300nm.300nm.病毒也是纳米级的病毒也是纳米级的,30-100nm

2、30-100nm.纳米颗粒纳米颗粒的检测l 如果一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在了地球上。l 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.01纳米。l 其他：高分辨透射电镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM），分辨率1nm。l由德国人宾宁(G.Binnig,1947-)和瑞士人罗勒(H.Roher,1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。宾宁和罗勒因此获得1986年诺贝

3、尔奖.扫描隧道显微镜示意图外膜蛋白病毒基因反转录酶核核心蛋白组织核心蛋白原 理l用一个极细的尖针，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，即小于纳米时，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的隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达.纳米，纵向可优于.纳米。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，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳

4、米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰以及直接书写等。移动原子-世界上最小的广告l1990年，IBM公司展示了一项令世人瞠目结舌的成果，在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。l试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以进行“原子剪裁”了。纳米神算子-分子算盘 lSTM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。l科学家把C60分子每10个1组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的

5、原子台阶排列。l这项试验的真正意义在于未来人们能够通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。纳米绘画艺术纳米中国l这是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。碳纳米球（富勒稀）-碳的第三种形态，纳米碳材料碳的第三种形态，纳米碳材料 lThe Nobel Prize in Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60).l碳原子组成的小单元看起来和足球一样。碳原子的活性差，导电，非常稳定。绝佳的材料和电性能碳纳米管 Nanotube-碳的第三种形态，纳米碳材料碳的第三种形态，纳米碳材料

6、l碳原子组成的圆柱体管状结构物质。l长度和直径之比很高的纤维，韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢的1/6。l世界上最小的碳管-单壁碳纳米管，直径仅为0.4nm。HOW TO MAKE THE INSOLUBLE SOLUBLEHOW TO MAKE THE INSOLUBLE SOLUBLE如何使碳纳米管溶解于水中？Attaching large organic groups is key to unclumping(不聚集)nanotubes.If only they would swim freely in solution,nanotubes might e

7、asily realize their enormous potential for electronics and materials.But the chicken-wire-like carbon cylinders are not originally soluble.They tend to clump together(团聚)in unmanageable globby(油迹斑斑的)ropes(毛线团）.Carbon nanotubes with organic appendages(附加物)are highly soluble(高溶解）.纳米碳管的应用-储氢l氢气的储存：气态:所

8、占空间太大;液化:压力太大，费用太高。l碳纳米管储氢：强吸附氢，储氢密度相当于液体氢，压力仅有100atm。l原理：碳纳米管的内径和氢原子的直径相似。在这种情况下，氢气的储存浓度可以达到近似液体的水平。Simulation snapshot(Simulation snapshot(模拟快照模拟快照模拟快照模拟快照)of hydrogen)of hydrogen(H shown in red)adsorbing in an array of(H shown in red)adsorbing in an array of(10,10)carbon nanotubes at 298 K and 20

9、0(10,10)carbon nanotubes at 298 K and 200 atm.atm.氧气吸附在碳纳米管使导电性变化氧气吸附在碳纳米管使导电性变化Chemistry Highlight 2000Oxygen(O)molecules(green)adsorbed on Carbonnanotubes cause changes in electronic Properties-Zetti and coworkers have found.带开口的C60 Japanese chemists for the first time have Japanese chemists for t

10、he first time have prepared an open-cage fullerene derivative(prepared an open-cage fullerene derivative(富富勒烯衍生物勒烯衍生物)with an orifice()with an orifice(洞口洞口)large enough)large enough to allow a to allow a hydrogen(H)moleculehydrogen(H)molecule to be inserted to be inserted into the cage in 100%yield

11、into the cage in 100%yield J.Am.Chem.Soc.,125,7152(2003).June 13,2003J.Am.Chem.Soc.,125,7152(2003).June 13,2003A NANO CONVEYOR(纳米搬运)Nature,428,924(2004)Nature,428,924(2004)lTransmission electron microscope images at one-minute intervals show indium(In铟)moving along a carbon nanotube from left to rig

12、ht.that might someday be used to fabricate(构造)nanoscale devices.Polymer Made In A Nano Test TubePolymer Made In A Nano Test Tube碳纳米管内形成高分子lFullerene epoxide polymerizes(环氧化聚合)to form a linear chain inside a carbon nanotube lNovember 29,2004,Chemical&Engineering NewsIn the case of SWCNT-TiO2,the auth

13、ors observed thatthe photon conversion efficiency for the hybrid material wasalmost doubled compared with that of pure TiO2.Furtherexperiments revealed a positive shift in the flat-band potentialof SWCNT-TiO2,which indicates electron transfer betweenTiO2 and SWCNTs.Figure.Schemes of CNTs as photosen

14、sitizers:(a)electron jection into the conduction band of TiO2,(b)electron back-transfer to CNTs with the formation of a hole in the valence band of TiO2 and reduction of the hole by oxidation of adsorbed OH-species.作为无机孔材料合成的模板剂We discuss in detail how this system can be used as either anelectronic

15、switch involving transport through both components,or as a device for ultrafast DNA sequencing-2005 American Chemical SocietylHollow Carbon Nanotube Microspheres and HemimicrosphereslMingxue Tang,Yujun Qin,*Youyou Wang,and Zhi-Xin Guo*lDepartment of Chemistry,Renmin UniVersity of China,Beijing 10087

16、2,Chinal-J.Phys.Chem.C 2009,113,16661671Figure.SEM images of uncoated PS microspheres(a)and PS microspheres coated with one(b),two(c),three(d),four(e),and five(f)MWNT layer(s).Figure.SEM images of MWNT(multiwalled carbon nanotubes(MWNTs)hemimicrospheres produced by dissolving the PS templates of(MWN

17、T)5/PS microspheres:at low magnification(a)and at high magnification(b).纳米管存储器-2005年4月科学美国人纳米管存储器的优点l存储量大l低成本和闪存的非挥发性完美的结合l耗电量低l较好地抵抗可能出现的高温、低温或磁 性损坏碳纳米管(CNT)的下陷和伸直的状态分别代表1(绿线)和0(红线)纳米技术对信息技术的影响l可以将存储器的存储能力提高1000倍，到那时巨型计算机小到可以放进口袋里，国家图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。l以硅为材料的微米级集成电路技术将走到尽头，纳米材料将成为替代硅和其它半导

18、体材料的最佳候选者。从技术上讲，碳纳米管很有可能成为硅的换代品，成为电子产品的主要材料。l科学家分别研究了金属性的碳纳米管和半导体性的碳纳米管，认为金属性碳纳米管可以用作电路中的连接件，而半导体性碳纳米管可以用作电路开关。碳纳米管有可能同时取代硅和铜。计算机和存储器的微型化。石器时代的纺毛线机来纺碳纳米管纤维石器时代的纺毛线机来纺碳纳米管纤维-低技术灵感给纳米管工作带来进展低技术灵感给纳米管工作带来进展l科学家将可能是来自石器时代的纺毛线机变小，用它来纺碳纳米管纤维，纺出的纳米管纤的强度足以用于制造防弹衣。lMei Zhang等用多壁碳纳米管，纺出了高强度、柔软、高导电性的扭卷纤维。和通常的纤

19、维不同，这些纤维的端部被释放后，它们的股不散开，而且纤维打结后其强度也不降低。这些纤维也许能取代电子纺织物中的金属丝，从而提供新的功能，比如启激人工肌肉，或用于超级纤维电容来储存能量。l2004年11月19日美国科学周刊306卷添加水改进了单壁纳米管的生长添加水改进了单壁纳米管的生长-低技术灵感给纳米管工作带来进展低技术灵感给纳米管工作带来进展l 日本研究人员通过添加水改进了单壁纳米管的生长。目前的大量生长纳米管的技术有些局限，因为生产过程中的一些杂物需要用可能损坏纳米管的步骤消除。l Kenji Hata等通过添加少量的水，改进了标准的化学气态沉淀过程，添加的水从催化剂颗粒上清除了残留的碳。

20、在这些催化剂颗粒上长出的纳米管“森林”能够用刀片轻而易举地取出，这些催化剂颗粒也继续保持活性。l 2004年11月19日 美国科学周刊306卷HOLLOW NANOFIBERS IN A SINGLE STEP HOLLOW NANOFIBERS IN A SINGLE STEP J.Am.Chem.Soc.,126,5376(2004)J.Am.Chem.Soc.,126,5376(2004)lFIBER SPINNING Applying high voltage to a pair of concentric needles used for pumping two immiscible

21、(不能混合的)liquids(red and blue at upper left)leads to formation of a two-component liquid cone(圆锥体)that elongates into coaxial liquid jets(同轴液体射流)and forms hollow nanofibers.Cut silica nanofibers are shown at bottom right.纳米材料的妙用l导体变绝缘体，绝缘体变导体 导体-铜等，纳米铜(几个纳米)，绝缘体。绝缘体-二氧化硅等，纳米二氧化硅，导电。l脆性变韧性 陶瓷-脆性材料；纳米陶瓷

22、-韧性材料，在常温下能弯曲，不怕摔，坚固无比。纳米效应！纳米技术在环境中的应用l纳米孔膜-用于海水淡化、污水处理，提高效率、降低成本。海水淡化成本3元/吨，纳米技术成本降低1倍。l纳米涂层-自洁玻璃和自洁瓷砖。任何粘在表面上的脏物，包括油污、细菌，在光的照射下，由于纳米材料的催化作用，都可以变成气体或者容易被擦掉的物质。l纳米涂料-催化脱除空气中的有害物质，比如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、三氧化硫等污染物。检测环境中的铅（变红）DNA zyme-nanoparticle sensor could be basis DNA zyme-nanoparticle sensor could be

23、basis of home lead-paint detector of home lead-paint detector J.Am.Chem.Soc.,J.Am.Chem.Soc.,125,6642(2003)125,6642(2003)RED SIGNALS LEADRED SIGNALS LEADYi Lu,Department of Chemistry,University of Illinoisreceived his B.S.from Beijing University,P.R.China in 1986纳米技术在生活中的应用l纳米纤维-将纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不沾

24、水又防污。l纳米冰箱-在冰箱中添加纳米微粒，可以除味杀菌，聪明的厂家已利用这一技术生产出可以抗菌的冰箱和洗衣机。l纳米陶瓷粉体-作为涂料的添加剂也得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。Nano-engineered Powders Tackle(Nano-engineered Powders Tackle(应对应对)Toxic)Toxic ChemicalsChemicals纳米粉末处理有毒化学品 April 28,2005，The National Science FoundationComposed of magnesium（Mg),titanium(T

25、i)and oxygen,the toxic-chemical cleaner known as FAST-ACT is unremarkable at first glance(初看).FAST=Facility for Automatic Sorting and Testing 自动分类与测试设备生物医学领域l纳米机器人-纳米生物学中最具诱惑力 的新领域。l纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。纳米机器人l纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。l纳米机器人可以在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，可

26、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。纳米医药l中药-有效成分一般都是油性的（溶于油，难溶于水）。如果在水相中纳米化，注射到患者血液当中，中药的治疗效果就会大大提高。l纳米包覆技术-用特定性质的纳米界面材料去包覆中药的有效成分，到了血液环境里因亲和而溶解，释放出治疗成分，这样治疗成分就带有很强的靶向性，进一步提高疗效。l-靶向药物或治疗技术。异想天开的可能应用l太空升降机（太空天梯）-碳纳米管的最异想天开的用途。碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，与钢或其它任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量，提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法，也许将成为人类移居外星球的

27、理想方法。l纳米电子线路-电子隧道众所周知，光导纤维是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通过。碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道。一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的1100。预计它将成为理想导体，导电性能大大超过铜。英科学家织成“纳米绳”l英国剑桥大学科学家阿兰温德尔所领导的一个研究小组最近宣布，他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成“纳米绳”。l“纳米绳”直径只有10几个纳米，但其刚度是钢材的10倍，其硬度是金刚石的2倍。l可以将这种“纳米绳”应用到大跨度桥梁的悬索上，甚至有朝一日，可以用这种“纳米绳”将位于宇宙空间的一个发射平台与地面固定起来，形成一个“人造天梯”。l在这个发射平台上发

28、射卫星可以大大降低发射成本。异想天开的可能应用l间谍草-外形看似小草，可以散布在敌方阵地，实际上是一种分布式战场微型传感器网络，装有各种灵敏的传感器和照相机，可以对敌方的阵地布置情况、坦克和装甲车等重武器行进时产生的震动和声音等进行监测，并把得到的情报传回指挥部。l微型遥控飞机-这种微型飞机比一张扑克牌还小，飞机上装有纳米级传感器，可以在夜间拍摄红外照片，并传送到数百米外的指挥所，或把敌军的位置坐标传送到导弹发射地，作为指挥员的命令依据。异想天开的可能应用l纳米隐身术-近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报道，引起军界研究人员的极大兴趣，他们提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索。

29、l纳米卫星与微型飞船-在小卫星系列中，可以分为小型卫星、微型卫星和纳米卫星。它们的重量分别在10500公斤、0.110公斤和0.1公斤以下。以硅为衬底的专用集成微型仪器(ASIM)，可以应用于制导、导航、姿态控制、推进、能源和通信等航天器系统。美国科学家提出在非常小的航天器上建造性能优越的计算机，最终设计出能够飞到其它星球上去的微型飞船。引发新的工业革命l纳米技术的科学家们坚信，“小”不仅是美丽的，而且是未来科学技术发展的趋势。l微型化机器-日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有12毫米的静电发动机、体积只有常规机器万分之一并能运转的车床以及直径仅5

30、.5毫米的“尺蠖huo”有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝；德国工程师还制成了一架只有黄蜂大小并能升空的直升机以及肉眼几乎看不见的发动机。引发新的工业革命l科学家已开始在硅片上造出微机电系统 (MEMS)。这种装置把电路和运转着的机器合 装在一个硅片上，它最终将像目前的硅芯片一 样普遍。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括在上百万辆汽车里安装 的一种细如发丝的微型传感制动器，当它“感觉”到 撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。引发新的工业革命 只有削尖了的铅笔尖大小、每分钟转速高达10万转的1伏特发电机最终将推动电子显示器、手表、摄录机和激光扫描仪的发展

31、。正如一些科学家所预言的那样，纳米技术可能将引发一场新的工业革命。纳米娃娃 美国德州莱斯大学的化学家James Tour,为了一项在中学里推广化学教育的计划，采用了一种专业却又不失新潮的方法。他的研究小组透过组合不同的有机分子，合成称 为纳米娃娃(NanoKids)的分子结构。the 2-nm-tall NanoKid molecules are synthesized from benzene derivatives and then coupled(联接)in the presence of palladium and copper.NanoKids head group can easi

32、ly be replaced through a reaction with a variety of diols(二醇)to create NanoMonarch纳米国王,NanoPilgrim纳米清教徒,and many other NanoPutian personalities.-April 5,2004,Volume 82,Number 14,pp.71-73,Chemical&Engineering News 纳米娃娃l纳米娃娃的身体部份是由苯环所组成.l由烷基等碳氢有机分子所组成的四肢则是透过碘化物连接在身体上。l娃娃的头部则是由醇类分子所构成。l如果在这些纳米娃娃的足部加上硫则

33、可以使它们站立在镀有金的表面。Single-crystal ZnO nanoring 纳米环Science,303,1348(2004)Science,303,1348(2004)lstands out in a thicket of nanobelts.la diameter of 3 m,a width of 300 nm,and a thickness of 10 nm.lhave prepared the first freestanding,seamless(无缝的),single-crystal nanorings out of ZnODr.ZhongLinWang Profess

34、or and Director,Center for Nanoscience and Nanotechnology Director of Electron Microscopy Center Georgia Institute of Technology Materials Science and EngineeringMolecular memory circuit 分子记忆电路 In a promising array阵列 design,currents passed between perpendicular(垂直的)nanowires alter the conductivity o

35、f organic molecules sandwiched in between.华裔女科学家卢嘉获颁美国“总统职业荣誉奖”Jia G.Lu,assistant professor of chemical engineering and materials science as well as electrical engineering and computer science,was honored today by President George Bush with a 2002 Presidential Early Career Award for Scientists and E

36、ngineers.Known for her research in nanotechnology,Lu is among 57 recipients of the award,which was stablished in 1996 and is the nations highest honor for scientists and engineers at the outset of their independent research careers.加氢脱硫催化剂l活性相的 STM像 氧化铝为载体氧化铝为载体分子筛纳米簇改性氧化铝分子筛纳米簇改性氧化铝 氧化铝为载体的催化剂表面只有极

37、少量的金属硫化物片层存在，金属组分的堆垛层数较低，大多呈类活性相。氧化铝经分子筛纳米簇改性后，催化剂上硫化态金属堆垛层数增加，主要以类活性相为主，有利于提高加氢脱硫活性。对于脱除对于脱除4,6-DMDBT4,6-DMDBT类有位阻的含硫化合物类有位阻的含硫化合物氧化铝表面改性催化剂的氧化铝表面改性催化剂的HDSHDS反应机理反应机理 HDSFigure 4.Adsorption of DBT on MoS2 nanoclusters after exposureto atomic hydrogen.(a)Large(n=10)Mo-edgeterminated nanocluster afte

38、r exposure to atomic hydrogen and DBT(56 x56 2).(b)Small(n=4)S-edge-terminated nanocluster after exposure to atomic hydrogen and DBT(25 x25 2).(c)DBT adsorption onfigurations on edge and corner vacancies on Mo edge and S edge clusters,respectively.(d)High-resolution STM images of DBT molecules on co

39、rner sites with the adsorption models superimposed on the STM images.we find that the distance we find that the distance betweenbetweenthe S atom in the molecule the S atom in the molecule and the Mo atom on the and the Mo atom on the corner site is corner site is 3.3 3.3.This distance is quite This

40、 distance is quite large and indicates that large and indicates that there is no strong chemical there is no strong chemical interaction between the DBT interaction between the DBT molecule and the corner Mo molecule and the corner Mo atom in the Nanocluster.atom in the Nanocluster.The observed dist

41、ance The observed distance between the Mo corner atom between the Mo corner atom and the S atom in the DBT and the S atom in the DBT molecule is molecule is 2.0 2.0,which,which is lower that the MoS is lower that the MoS distance in MoS2(2.4 distance in MoS2(2.4)and indicates a rather and indicates

42、a rather strong bonding between the strong bonding between the DBT molecule and the Mo DBT molecule and the Mo atom in the cluster.atom in the cluster.Chevron Chevron Corporation Corporation residual oil residual oil HDMHDMChevron Chevron Corporation Corporation residual oil residual oil HDSHDSSimon

43、 Mostafa.et.al.Simon Mostafa.et.al.Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt Nanoparticles.Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt Nanoparticles.J.AM.J.AM.CHEM.SOC.2010CHEM.SOC.2010,132132,1571415719,1571415719Department of Physics,UniDepartment of Physics,UniV Versity of Central Florida,Orlando

44、,Florida 32816,United Statesersity of Central Florida,Orlando,Florida 32816,United StatesFigure 5.Onset temperature for 2-propanol oxidation over Pt NPs/-Al2O3 versus(a)the average number of missing bonds at the NP surface,Nm,and(b)the percentage of atoms at corners/edges and faces on the NP surface

45、 The coordination numbers of the corner/edge atoms are 4-7,and those of the atoms at NP faces are 8-9.The solid lines are a guide for the eye.The insets in(a)display the model shapes that best describe the NPs in each of the samples(obtained from EXAFS and TEM measurements and modeling),together wit

46、h STM images acquired on similarly synthesized but larger Pt NPs supported on TiO2(110)after annealing in UHV at 1010 C.The scale bars in the STM insets are 5 nm.The horizontal error bars in(a)indicate the range of Nm values obtained from the three shapes shown in Figure 2 for each sample.The vertic

47、al error bars in a describe the uncertainty in the determination of the onset reaction temperatureSimon Simon Mostafa.et.al.Mostafa.et.al.Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt Nanoparticles.Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt Nanoparticles.J.AM.CHEM.SOC.2010J.AM.CHEM.SOC.2010,132132,1571

48、415719,1571415719Figure 3.Three NP shapes that resulted in the best agreement with the coordination numbers obtained from the fits to the EXAFS data as well as with the TEM diameter measured for each of the Pt NP/-Al2O3 samples.The shapes that provided the best overall fit are shown in the left colu

49、mn.The color coding indicates the different number of first nearest neighbors(N1)of surface atoms in each NP.EXAFS:extended X-ray absorption near edge structure 侧催化剂结构Figure 4.Figure 4.Conversion of 2-propanol during oxidation Conversion of 2-propanol during oxidation reactions.The catalystreactions

50、.The catalyst samples containing micellar Pt samples containing micellar Pt NPs supported on nanocrystalline NPs supported on nanocrystalline-Al2O3-Al2O3 have similar have similar average diameters(average diameters(0.8 nm for S1 and 0.8 nm for S1 and 1 nm for S2,1 nm for S2,S3,and S4)but S3,and S4)