材料科学与工程进展课件：第一章 绪论.ppt

1、王世敏、许祖勋材料科学与工程学院教师简介王世敏，湖北赤壁市人，中共党员，博士、教授、博导1981年9月至1985年7月于湖北大学化学专业获学士学位；1985年9月至1988年7月于湖北大学有机化学专业获硕士学位；1995年9月至1999年1月于华中科技大学微电子学与固体电子学专业获博士学位；1988年7月至今先后在湖北大学物理系、压电陶瓷技术研究所、化学系、化学与材料科学学院、材料科学与工程学院工作，1992年晋升为副教授，1997年晋升为教授；2001年2月至2005年6月任化学与材料科学学院院长，2005年6月至2008年11月任湖北大学校长助理，2008年12月至今任湖北大学副校长，20

2、08年12月兼任湖北省化学化工学会副理事长。一直从事有机化学和功能材料方面的教学和科学研究工作。现正从事光、电功能分子材料、纳米材料、精细复合材料的制备与应用研究。2000年获湖北省自然科学二等奖（第一）； 2001年获湖北省青年科技奖和“湖北青年五四奖章”；2001年享受国务院特殊津贴； 2003年获湖北省自然科学二等奖（第四）； 2004年获“全国模范教师”称号；2006年获湖北省自然科学二等奖（第三）。Email：QQ:420982516参考书目：1、王世敏、许祖勋、傅晶编著，纳米材料制备技术，化学工业出版社出版，20022、李玲、向航编著，功能材料与纳米技术，化学工业出版社出版，200

3、23、刘吉平、郝向阳编著，纳米科学与技术，科学出版社出版，20024、美J.H.芬德勒等著，纳米粒子与纳米结构材料，化学工业出版社出版，20035、黄惠忠等编著，纳米材料分析，化学工业出版社出版，20036、张立德等著，纳米材料与纳米结构，科学出版社，20017、朱静等著，纳米材料和器件，清华大学出版社，20038、国际国内材料科学与工程学术会议论文集9、国内外最新相关领域文献资料第一章 纳米科学技术简介第二章 纳米材料的结构与物理化学特性第三章 纳米材料的制备方法第四章 纳米材料的检测分析技术第五章 纳米材料的应用课程主要内容闭卷笔试，没有补考，只有重修；平时40%，期末考试60%；平时点名

4、抽查至少5次，3次不在，没有考试资格；布置一次大作业。考 试 方 式第一章 纳米科学技术简介教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展 历史、进展和趋势。 重点内容：1、掌握基本概念 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、 莲花效应、自上而下、自下而上 。2、自然界的纳米技术。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。 纳米纪事最早的纳米材料： 中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料1857年，法拉第制备出金纳米颗粒1861年，胶体化学的的建立1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究1985年，Kroto和Smalley等人发现C

5、60*1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程1、纳米科学与技术和纳米材料1.1 纳米科学与技术（Nano-ST）的定义纳米科学与技术（Nano-ST）是研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。1纳米(nm)=10-3微米(m)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)=10埃*头发直径：50-100m, 1nm相当于头发的5-10万分之一。*氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。1.2 纳米科技的分类 (1) 纳米材料学；

6、(2)纳米化学；(3) 纳米体系物理学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6) 纳米力学；(7) 纳米加工学 1.3 纳米材料的定义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。纳米材料的基本单元按维数可以分为三类：(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、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；(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、超晶格等因为这些单元往往具有量子性质，所以零维、一维和二维基本单元又分别有量子点、量子线和量子阱之称。（1）至少有一维处于0.

7、1100nm；（2）因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。 否则，不能称之为纳米材料！1.4 纳米材料的分类按结构大致可分为：零维(如纳米粒子、量子点*)一维(如纳米线量子线*、晶须*、纳米管*)二维(如纳米膜)三维(如纳米块体)纳米结构*等按组成分类金属纳米材料无机非金属纳米材料有机和高分子纳米材料复合纳米材料1.5 自然界的纳米技术 人体和兽类的牙齿 海洋中的生命粒子 蜜蜂的“罗盘”腹部的磁性纳米粒子 螃蟹的横行磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 海龟在大西洋的巡航头部磁性粒子的导航 荷花出污泥而不染等

8、许多植物表面，如荷叶面具有超疏水(superhydrophobicity)及自洁(self-cleaning)的特性。荷叶表面疏水、始终永遠保持一尘不染。1.5.1荷花为什么出污泥而不染荷叶效应在表面张力作用下，水与超疏水表面会有一接触角水珠会夹带灰尘颗粒离开叶面为什么会有这种“荷叶效应”？l用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不通，恰恰是相反。l从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行，因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗糙程度。n经过兩位德国科学家的长期观察研究，即在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奧妙。原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的

9、多种纳米和微米级的超微结构。德国生物学家Barthlott 和Neinhuis通过观察植物叶表面的微观结构, 认为由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的认为在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构, 这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因Prof. Dr. Wilhelm Barthlott荷叶叶片上的多种纳米和微米級的超微结构在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛在“山包”頂則又長出 一個個饅頭狀的 “碉堡”凸頂。荷叶叶片上的多种纳米和微米级的超微结构 因此，在“乳突”间的凹陷部份充滿著

10、空氣，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。 这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“乳突”的凸頂形成几个点接触。 雨点在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滚动中吸附灰尘，並滾出叶面，这就是“荷叶效应”能自洁叶面的奧妙所在。蜡质结晶细微结构荷叶效应再加上叶片表面的细微结构之助，使水与叶面的面积更小而接觸角变大，因此加強了疏水性，同時也降低污染顆粒 对叶面的附着力。 这种表面自清洁的特性不仅存在于荷叶叶面上，在动物皮肤或许多其他植物叶子中也都得到验证，而开发仿造荷叶具自清洁功能的疏水涂料、涂装技术乃成为风潮。表面粗糙结构 表

11、面細微的奈米結構在自潔功能上扮演著關鍵的角色以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面積大約只佔總面積的23%，若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾動方式運動。滾動時，會順便吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面達到清潔的效果。表面細微的奈米結構在自潔功能上扮演著關鍵的角色相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面水珠只會以滑動的方式移動並不會夾帶灰塵離開因此不具有自潔的能力。 荷叶自淨作用的特性 在荷叶上倒几滴胶水， 胶水不會粘连在叶面上，而是滾落下去并且不留痕迹。160 180 荷叶效应的应用功能性塗裝材料 ex:油漆 包括防水底片、防水噴霧劑；外衣、鞋子、車子的外殼、反光鏡、安全帽鏡片、廚具、瓦斯爐等容易髒污的器具

12、表面，甚至飛機的表面 荷叶效应的应用1.5.2 你听说过观音土吗？一种硅藻土的颗粒构造 右：局部放大照片1.5.3 用徽墨写出的毛笔字为什么光泽好？ 徽墨精烟墨王羲之丧乱贴 1.5.4 壁虎飞檐走壁的奥秘世上有会飞的壁虎，你知道吗？壁虎及其脚趾的英姿壁虎及其脚趾的英姿微观结构产生高黏附力 壁虎脚部刚毛组织及单根刚毛与物体表面的黏附 a）壁虎脚的电子显微镜放大照片； （b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；（d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。 1.6 未

13、来的制造工艺 新的工业革命的到来从原子、分子出发来构建特殊的结构，制造具有所需功能的分子装置，从而产生生产方式的革命仿制生物体系的纳米结构，利用生物系统的自识别、自组织、自复制的功能制造特定的纳米产品 新的梦想实现已指日可待！第一次工业革命 毫米时代 发生在18世纪中叶，以Fe基材料为基础，蒸汽机的发明与应用，使机器生产逐步取代手工劳动，极大提高了生产力，使人类跨入了机械化工业时代，它的加工精度标志尺度是毫米，可以称作毫米技术应用时代。 第二次工业革命以Fe、Cu、Al等金属基材料为基础,电动机的发明与应用，使社会进入电气化时代，它的加工精度标志尺度仍是毫米。第二次工业革命 毫米时代第三次工业

14、革命 微米时代 20世纪，第三次工业革命以Si基材料为基础，以电子技术为代表，特大规模集成电路和计算机的发明与应用，使社会进入信息时代，它的标志是微米技术的应用，使人类进入以计算机和网络通讯为代表的新时代，不仅缩短了人类之间的空间距离，而且部分地解放了人类的脑力劳动，促进了生产力的飞速发展。第四次工业革命即将到来的纳米时代 21世纪，预计以纳米材料和分子材料为基础，将给人类带来第四次工业革命，使人类的生产和科技活动从微米层次深入到纳米和分子层次，它将为人类创造出许多新材料、新产品；将彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式；将对传统产业带来极大的变革。纳米器件与机器、分子器件与机器将引领人

15、类社会的发展。人类探索世界的不同层次宏观宏观：大尺度，发明了望远镜，探索宇宙起源与进化。：大尺度，发明了望远镜，探索宇宙起源与进化。微观微观：小尺度，发明了显微镜、粒子加速器，探索物质：小尺度，发明了显微镜、粒子加速器，探索物质 结构。结构。介观介观：原子分子层次，才是和人类自身关系最密切的。：原子分子层次，才是和人类自身关系最密切的。1.7 改造自然界的全新理念1 1、纳米的两个含义：、纳米的两个含义：含义一：空间尺度的单位含义二：思考问题的方式 2、纳米科技的主要研究内容: 创造和制备性能优异的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 （基础，目标，前提）纳米技术

16、与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。制造纳米产品的技术路线可分为两种制造纳米产品的技术路线可分为两种： “自上而下自上而下” (top down) ：是指通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。(从大到小) 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。“自下而上自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子为基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从而构筑

17、成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。(从小到大） 如：化学合成、自组装、定位组装等。Top-down manufacturingTraditional approachTake away material until what is left is the productEg. SculptingBottom-up manufacturingNanotech approachAdd material until the product has been createdEg. Biological systems3、 纳米科技的发展历史1959年，美国著名的物

18、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。“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是2l世纪的又一次产业革命。” -钱学森钱学森 1998年IBM公司用原子排成的世界上最小的广告- IBM 1982年,一种奇特的显微镜(扫描隧道显微镜)(STM)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。Xe on Ni在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁

19、排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。 用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 一氧化碳小人这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。光刻技术 线宽目前到了45纳米，集成度的进一步提高有赖于纳米技术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；1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开；1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议；1996年在美国

20、夏威夷召开第三届国际会议；1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议；2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。纳米技术是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。 纳米科技的发展大致可以划分为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)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能

21、，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。4、国际纳米技术发展的态势美国启动纳米技术促进计划美国启动纳米技术促进计划 克林顿克林顿说：说：“我正在支持一项我正在支持一项对美国未来经济对美国未来经济和发展将产生深和发展将产生深远影响的纳米技远影响的纳米技术，它是术，它是2121世纪世纪最重要、应该优最重要、应该优先发展的计划先发展的计划”。科学技术主席助理科学技术主

22、席助理（19841984年年4 4月）月）Neal LaneNeal Lane说：说：“如果人们问我哪个如果人们问我哪个科学和工程领域最科学和工程领域最有可能在未来产生有可能在未来产生突破性成就，我认突破性成就，我认为会是纳米科学和为会是纳米科学和工程工程。”威廉姆斯说：威廉姆斯说：“纳米技术纳米技术对经济社会的影对经济社会的影响将超过计算机响将超过计算机”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

23、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：20

24、01年对纳米科技投入增长最快的国家。张立德把纳米概念引入中国的第一人 “纳米材料和纳米结构”首席科学家纳米材料和纳米结构纳米复合材料超微粉体材料制备和应用材料新星纳米材料第四次浪潮纳米冲击波奇妙的纳米世界纳米材料和纳米结构最新进展 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Iron atom on Copper成为中国第一位纳米院士 1998年，中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。 Transmission electron microscop

25、y image of sample (scale bar, 1 mm), (B) electron diffraction pattern, and (C) SEM image (scale bar, 60 mm). 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解思深1992年在国内率先开展了碳纳米管的研究，在定向碳纳米管的制备、结构和物理性质的研究方面取得了一系列的重要进展。2003年当选中国科学院院士 1996年，中国科技大学:氮化镓粉体谢毅，博士，中国科学技术大学化学系、合肥微尺度物质科学国家实验室教授、博士生导师。教育部长江特聘教授。主要研究方向为无机纳米功能材

26、料的可控合成、结构、性能及理论研究。曾获国家杰出青年基金，中国青年科学家奖等。现为科大“无机合成与纳米化学”创新研究群体带头人，主持国家自然科学基金委创新研究群体基金。“刻意做事情往往达不到预想的目标，我不喜欢刻意而为，今天的自己是随波逐流的结果。”李亚栋，清华学化学系长江学者特聘教授。主要研究方向： 纳米材料的合成、组装、结构、性能及其应用探索 主要研究兴趣： (1) 太阳能电池纳米复合材料及器件 (2) 高效多功能超细荧光粉 (3) 新型高比表面催化材料及其应用 (4) 纳米材料在生命科学中的应用 (5) 纳米材料在新能源领域的应用探 (6) 功能纳米材料的规模制备氮化镓纳米棒的制备清华大

27、学范守善教授等首次利用碳纳米管制备出直径3-40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。该项成果成为1997年 Science 杂志评选出的十大科学突破之一 。 与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。 (A) TEM image of the carbon nanotubes used as starting material. (B) TEM image of the GaN nanorods that were produced2000年，中科院沈阳金属所的卢柯研究员等发现纳米铜材料具有超延展性，在室温下可连续

28、轧制，不经中间退火，塑性变形达5000。2006年担任美国科学（Science）周刊评审编辑.Superplastic Extensibility of Nanocrystalline Copper at Room Temperature电沉积技术江 雷 研究员当前主要研究领域：功能界面材料，2004年，NatureWater-repellent legs of water striders 总之中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居世界第四。但是，在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手段离国外还有很大的差距。 作业： 查阅文献资料，看一看纳米材料和纳米技术有哪些产业化应用？想一想未来可以应用在哪些方面？