第1章纳米科技及纳米材料绪论PPT课件.ppt

1、纳米材料基础 第1 1章 纳米科技及纳米材料绪论一二请在这里输入您的主要叙述内容整体概述三请在这里输入您的主要叙述内容请在这里输入您的主要叙述内容3【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识纳米科技简史掌握纳米的概念，了解纳米科技的形成过程扫描隧道显微镜、富勒烯、巨磁阻效应纳米科技在世界各国的发展概况了解世界主要经济体的纳米科技发展规划美国NNINNI计划、中国纳米科技发展纲要纳米科技的范畴掌握纳米尺度、纳米科技的基本概念纳米尺度、宏观领域、微观领域、纳米科技纳米科技的研究内容理解纳米科技主要分支学科的基本特征纳米科学、纳米技术、纳米工程、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、

2、纳米力学、纳米制造纳米科技的发展前景了解纳米科技主要应用领域的发展前景纳米科技对生物医学、信息技术、国防、能源环境、食品等领域的影响纳米材料的定义掌握纳米材料的基本概念纳米结构单元、纳米材料纳米材料的发展历史了解纳米材料科学与工程的发展概况纳米材料学、纳米材料工程、纳米材料发展的3 3个阶段纳米材料的分类掌握纳米材料按维度分类的方法零维、一维、二维、三维纳米材料纳米材料的研究现状了解现在纳米材料的研究重点纳米材料的特性与应用了解纳米尺度对材料性质产生的影响及其应用纳米尺度的基本物理、化学效应纳米材料的安全性了解纳米材料的潜在生物毒性及应对方法纳米毒理学、世界主要国家的纳米安全研究计划纳米材料基

3、础与应用4Theres plenty of room at the bottomo在1959年12月召开的美国物理学会年会上，著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主理查德费曼教授做了一个著名的演讲“底部还有很大的空间（Theres plenty of room at the bottom）”，首次提出可以在分子与原子的尺度上加工与制造产品，甚至能够按照人们的意愿逐个地排列原子与分子。费曼在演讲中首次阐述了自下而上（bottom-up）制备材料的思想，即通过操纵原子、分子来构筑材料，这是人类关于纳米科技最早的梦想。纳米材料基础与应用5Theres plenty of room at the botto

4、m o经典片段：o Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin?o What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?o The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom

5、by atom. 纳米材料基础与应用61.1 纳米科技兴起o1.1.1纳米科技的提出o纳米（nanometer，nm）：计量长度的单位；nano是希腊语中“侏儒”的意思，在计量中表示10-9，纳米即10-9m。o纳秒（nanosecond） = 10-9秒o我国过去一般用毫微米来表示10-9m，反映了其长度单位的本质特征，即千分之一微米（意译），但现在普遍采用的是更加简洁的纳米（音译），在我国台湾则被译为奈米。o随着纳米科技的研究日益广泛，现在英文文献中常常直接用nano来表示纳米。o1nm大约是23个金属原子，或10个氢原子排列在一起的“宽度”。一般病毒的直径约60250nm，红血球的直径约

6、6,0008,000nm，头发丝的直径则约为30,000 50,000nm。 纳米材料基础与应用7o纳米金属的电阻随尺寸的下降而增大，电阻温度系数下降甚至变成负值；o本是绝缘体的氧化物达到纳米尺度时，电阻反而下降；o1025nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于l0nm时矫顽力变为零，表现为超顺磁性；o纳米氧化物和氮化物在低频下，介电常数增大几倍，甚至增大一个数量级，表现为极大的增强效应；o纳米氧化物材料对红外、微波有良好的吸收特性；o硅的尺寸达到纳米级(6nm)时，在靠近可见光范围内，就有较强的光致发光现象；多孔硅发光；o在纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆中

7、观察到常规材料根本看不到的发光现象。Small is different 纳米材料基础与应用8Small is different 纳米材料基础与应用9Si SubstrateMetal GateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbon Nanotube FET50 nm35 nm30 nmSiGe S/DStrained SiliconFuture options subject to research & changeSiGe S/DStrained Silicon90 nm65 nm45 nm32 nm20032005200720092011+Technology Ge

8、nerationSource: Intel20 nm10 nm5 nm5 nm5 nmNanowireManufacturing Development ResearchTransistor ResearchResearch Options:High-K & Metal GateNon-planar TrigateIII-V, CNT, NW纳米材料基础与应用10纳米科技的提出o1974年，东京理科大学教授谷口纪男（Norio Taniguchi）率先提出纳米技术（nanotechnology）一词，用来描述原子或分子级别的精密机械加工。 o1981年，IBM公司苏黎士实验室的Gerd Kar

9、l Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM），使人类首次直接观察到原子，为测量与操控原子、分子等技术奠定了基础，两人因此与电子显微镜的发明者鲁斯卡（E. A. F. Ruska）分享了1986年诺贝尔物理奖。在1985年, 宾尼和罗雷尔还与斯坦福大学的奎特（C. F. Quate）教授合作推出了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy ，AFM) 。扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy ，SPM)已成为微区分析领域的主流设备之一，成为纳米尺度物质检测的

10、重要手段。o1985年，英国University of Sussex的Harold Walter Kroto与美国Rice UniversityRichard Errett Smalley和Robert Floyd Curl合作，发现了金刚石和石墨之外的第三种稳定碳单质由60个碳原子构成的足球状富勒烯（fullerene）分子C60”（footballene，bucky-ball），三人因此荣获1996年诺贝尔化学奖。在得到足球状C60的同时，还可以得到橄榄球状的C70，后来又相继发现了76、84、90、94等多种有限纯碳分子，在自然科学界引起了强烈的反响。纳米材料基础与应用11o1986年，

11、美国人K. Eric Drexler受费曼演讲的启发，对纳米科技的概念进行了深入的探究与广泛的引伸，首次系统地阐述了纳米科技的重大意义与美好的前景，出版了第一部有关纳米科技的书籍 Engines of Creation ：The Coming Era of Nanotechnology 。o1988年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grnberg分别独立发现了纳米结构多层膜的巨磁电阻效应，2人因此分享了2007年诺贝尔物理奖。o1990年7月，在美国巴尔的摩举办了第一届国际纳米科技会议，同年英国物理学会开始出版发行第一种专门的纳米科技类杂志Nanotechnology

12、。o从此，纳米科技引起了全球学术界与产业界的广泛兴趣与高度重视，形成了全球性的纳米科技研究热潮，标志着纳米科技正式诞生。 纳米材料基础与应用12STM操纵原子构成的图案左上：35个氙原子组成的“IBM”；左下：48个铁原子围成的栅栏，电子在栅栏里面形成的驻波清晰可见；右：101个铁原子组成的汉字“原子”纳米材料基础与应用131.1.2 世界各国的发展情况 o1990年，美国IBM公司的科学家首次实现了对原子的操纵，用STM移动35个氙原子拼成了“IBM”三个字母；而美国贝尔实验室推出了一个只有跳蚤大小但“五脏俱全”的纳米机器人。o1991年，日本NEC公司的科学家饭岛澄男（Sumio Iiji

13、ma）发现了碳纳米管，单壁碳纳米管的密度只有钢的六分之一，强度却是钢的10倍；IBM公司则成功操纵CO分子排列出一个卡通人的图形，实现了对分子的操纵。o1992年，美国科学家发现纳米钴粒子镶嵌在铜膜中构成的颗粒膜具有巨磁电阻效应；中国科学院真空物理实验室采用STM在硅单晶表面搬迁原子，形成“中国”的汉字图案；日本日立制作所研制成功了可在室温下工作的单电子存储器，可在极微小的晶粒中封入一个电子用来存储信息。纳米材料基础与应用14o1993年，IBM公司用STM操纵铁原子，用48个铁原子在铜表面组装成了一座“铁原子栅栏”，栅栏的半径仅7nm左右，铜表面的电子就像关在栅栏里的羊群一样逃不出去，形成电

14、子驻波。o1994年，美国开始着手研制“麻雀卫星”、“蚊子导弹”、“苍蝇飞机”以及“蚂蚁士兵”等，纳米技术在国防领域逐渐显现威力。o1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。o1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 纳米材料基础与应用15o为了在21世纪继续保持美国在经济上的领导地位并保障美国的国家安全，2000年1月21日，美

15、国总统克林顿在加州理工学院正式宣布National Nanotechnology Initiative （ NNI计划），整合美国各相关机构的力量，加强对纳米尺度的科学、工程和技术研发工作的协调，将纳米科技视为下一次工业革命的核心，认为纳米科技将对二十一世纪早期的经济和社会产生深刻的影响。该计划于2000年11月得到美国国会批准。美国政府在2001财政年度对纳米科技的投资比上年猛增近1倍，达到4.97亿美元。o日本、德国、法国、英国等主要发达国家以及欧盟分别出台了各自的纳米计划，韩国政府20012003年间相继制定了促进纳米科技10年计划、促进纳米技术开发法与纳米技术开发实施规则；我国台湾自1

16、999年开始也相继制定了纳米材料尖端研究计划与纳米科技研究计划。俄罗斯、加拿大、澳大利亚、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰国、埃及、土耳其等国家也对纳米科技发展进行了部署，全球总计已有50多个国家和地区制定了战略性的纳米科技计划。纳米材料基础与应用16我国的纳米科技计划o我国先后成立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会；o2001年7月发布了国家纳米科技发展纲要(20012010)：o“有所为、有所不为，总体跟进、重点突破”o近期目标以纳米材料及其应用为主，中、长期目标瞄准纳米生物和医疗技术、纳米电子学和纳米器件。希望在纳米科学前沿取得重大进展，在纳米技术开发及其应

17、用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍。o在纳米科技基础建设方面，要建立具有国际先进水平的国家纳米科学技术发展公用平台和重点实验室系统、纳米科技信息网络和科研开发网络，形成若干各具特色的、具有国际一流水平的纳米科技创新基地，构筑国家纳米科技研究与开发创新体系。o注重自主知识产权、市场需求，讲究多学科交叉融合以及科技创新与体制创新相结合，以期大幅度提高纳米科技创新能力，促进纳米科技成果实用化或产业化，造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业，推动经济跨越式发展，使我国在纳米科技领域的整体水平进入国际先进行列，并在若干方面具有竞争优势。纳米材料基础与应

18、用17全球在纳米科技研究、开发和商业化方面的投资o近年来一直呈持续、高速增长的态势，2007年全球投入纳米科技领域的资金已达到了139亿美元，其中美国、欧洲、日本的份额大致相同。o美国NNI计划在2009财政年度的投入已达到16.576亿美元；o日本作为开展纳米科技研究最早的国家，其政府将纳米科技视为“日本经济复兴”的关键，在资金投入上仅次于美国；o欧盟坚信纳米科技作为一个新兴的研究领域，对于促进其经济增长、创造更多的就业机会。欧盟将纳米科技列入其科研框架计划的优先主题领域，并不断追加经费预算，在第六科研框架计划中对纳米科技的投入为13亿欧元，而在第七框架计划（20072013年）中增加到34

19、.75亿欧元。o德国、法国、英国等欧盟国家各自对纳米科技也投入了大量资金，其投入总和已超过了欧盟。o从世界各国对纳米科技的投入来看，在公共投入方面，美国与欧洲的基本相当，日本第三，而在企业投入方面，美国第一、日本次之、欧洲第三。o俄罗斯凭借其强大的基础研究实力，计划在2007年2010年拨款80亿美元发展纳米科技，并且成立了俄罗斯国家纳米科技公司（Rusnano），计划到2015年将向其累计投入约110亿美元的巨额资金。 纳米材料基础与应用181.2 纳米科技的内涵o1.2.1 纳米科技范畴o长期关注的两个领域：1）宏观领域，其下限一般为肉眼通过普通光学显微镜可以直接观察的最小尺度，即亚微米级

20、，向上则延伸到天体、星系直到浩瀚无垠的宇宙，从尺度上看是有下限而没有上限，遵循牛顿力学定律是宏观领域的基本特征；2）微观领域，其上限为单个的分子、原子，向下则为各种基本粒子，有上限而没有下限，在微观领域起主要作用的是量子力学规律。o纳米领域：介于宏观领域与微观领域之间，属于费曼所预言的还有很大空间的“底部”。纳米材料基础与应用19o纳米科技（Nanotechnology）的基本特点：具有比较明确的尺度特征。oNNI计划中对Nanotechnology的定义：纳米尺度上的科学、工程与技术。oNanotechnology的两种含义： （1）纳米科技广义； （2）纳米技术狭义。o纳米科技：纳米科学（

21、nanoscience）、纳米技术（狭义的nanotechnology）以及纳米工程（nanoengineering）的统称，是研究、开发、利用纳米尺度物质的一门新型的应用型学科，具有多学科交叉的特征。纳米材料基础与应用20纳米尺度o按照对尺度范围的一般认定，纳米尺度范围应包含亚纳米，即介于0.1 nm100 nm之间。o亚纳米尺度：与微观领域有明显的重叠，而且有专门用来描述微观领域分子、原子大小的尺度单位埃（1 = 0.1nm），因此，现在一般认为纳米科技的尺度范围是1 nm100 nm。o已发现尺度小于1nm的纳米材料：C60的直径为0.7nm、最细的单壁碳纳米管的直径仅为0.33nm，所

22、以也有一些学者建议将纳米科技的尺度范围定义为0.1 nm100 nm。oNNI计划中认为纳米尺度范围约为1 nm100 nm。o研究纳米科技，不仅要探索物质在纳米尺度上所表现出来的各种现象及其内在规律，更重要的是要能够制取、表征与利用纳米尺度的物质。 纳米材料基础与应用211.2.2 纳米科技研究内容o纳米科技关注物质在纳米尺度上表现出来的新现象与新规律o纳米科技：纳米尺度上的新概念、新理论、新原理、新方法与新用途的一门新型的、多学科交叉的应用型学科。o纳米科技的研究内容概述：o（1）纳米科学：探索与发现物质在纳米尺度上所表现出来的各种物理、化学与生物学现象及其内在规律，尤其是原子、分子以及电

23、子在纳米尺度范围的运动规律，为纳米科技产品的研发提供理论指导。o（2）纳米技术：主要包括纳米尺度物质的制备、复合、加工、组装以及测试与表征，实现纳米材料、纳米器件与纳米系统在原子、分子尺度上的可控制备，为纳米科技的应用奠定基础。o（3）纳米工程：包括纳米材料、纳米器件、纳米系统以及纳米技术设备等纳米科技产品的设计、工艺、制造、装配、修饰、控制、操纵与应用，推动纳米科技产品走向市场、有效地服务于经济社会。纳米材料基础与应用22纳米科技领域的主要分支学科o纳米物理学(Nanophysics)：主要研究物质在纳米尺度上的物理现象及其表征，主要内容包括纳米固体的独特结构、电学性质、磁学性质、光学性质，

24、以及电磁、光电、磁光等性能之间的转换特征。已派生出纳米电子学(Nanoelectronics)、纳米光电子学(Nanooptoelectronics)、纳米磁学（Nanomagnetics）、纳米光子学（Nanophotonics）或纳米光学(Nanooptics) 以及纳米电磁学(Nanoelectromagnetics)等分支学科。纳米物理学注重发掘纳米科技在计算机、太阳能电池等领域的应用潜力，将对信息技术以及能源技术等产生深远的影响。o纳米化学(Nanochemistry)：主要研究纳米尺度范围的化学过程及相关效应，重点是纳米材料、纳米结构以及纳米体系的化学合成与修饰。基于原子、分子的自

25、下而上的合成方法是纳米化学关注的焦点，以分子自组装为代表的纳米组装体系的设计与应用已成为研究的热点。o纳米材料学(Nanomaterials)：研究内容包括纳米材料的成分/结构、合成/加工、性能以及使用效能等四个方面。纳米材料基础与应用23o纳米生物学(Nanobiology) ：主要利用纳米科技的思想、工具以及材料等来研究、解决生物学问题，在分子水平上深入揭示细胞内部各种纳米尺度单元的结构和功能，以及细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换机制。属生物学与物理学、材料学、有机合成化学以及工程学交叉形成的新兴学科。o纳米结构是生命现象中的基本单元之一，比如牙釉质是一种纳米陶瓷

26、、骨骼是典型的无机/有机纳米复合材料，神经系统的信息传递与反馈等过程属于纳米尺度范围的控制与操纵，遗传基因序列原子级精确的自我复制则属分子自组装范畴，而核糖体可视为按照基因密码的指令来排列氨基酸顺序制造蛋白质分子的纳米机器。o纳米科技与生物学的结合有望达到逼真的纳米仿生，实现组织再生、人造蛋白等人工控制的“生物制造”，以及基于生物大分子的纳米机器与纳米系统。 纳米材料基础与应用24o纳米医学(Nanomedicine)：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科，与纳米生物学有许多重叠的领域，其研究内容十分广泛，涉及纳米药物，纳米医用材料，药物、基因、蛋白质以及多肽的传递与靶向释放，纳米生物传感器

27、，芯片实验室（lab-on-a-chip），医用纳米机器人，医学成像以及纳米毒理学等诸多领域，将给疾病的诊断、监测、治疗以及防治带来革命性的变化，并有望实现细胞修复、以及电脑与神经的对接等。o纳米力学(Nanomechanics)：主要研究纳米尺度物体的力学性质，是由经典力学、统计力学、固体物理学、材料科学与量子化学相互交叉形成的应用型学科，已形成了纳米摩擦学（Nanotribology）、纳米流体学（Nanofluidics）与纳机电系统（NEMS，nanoelectromechanical systems）等分支，将为纳米器件与纳米系统的设计与制造提供基础支持。纳米材料基础与应用25o纳米

28、制造(Nanomanufacturing，Nanofabrication)：研究内容包括纳米产品及生产工艺的数学建模、计算机模拟与设计，从纳米到宏观等不同尺度的分级制造，多尺度的整合以及工具的开发等多个方面，尤其重视生产过程的可靠性与稳定性。o纳米制造（Nanomanufacturing）是美国NNI计划中优先资助的5大领域之一，美国已建立了国家纳米制造网络(NNN，National Nanomanufacturing Network)。oNanofabrication是一个使用频率更高的术语，在NNI计划中被描述为功能性纳米结构或纳米部件的制作，属于典型的纳米尺度范围的制造与加工，是多尺度纳

29、米制造中的“纳米环节”。o过去国内常把Nanofabrication译为纳米加工，但是与纳米制造并没有明确的界定，从国家自然科学基金委员会重大研究计划“纳米制造的基础研究”2009年重点支持的5个领域来看，趋向于把二者统称为“纳米制造”。 纳米材料基础与应用261.2.3 纳米科技的发展前景o医学领域：药物制备、药物传递、疾病诊断以及器官替换与再生等将发生根本性的改进。o纳米粒子可以穿越细胞壁，纳米药物进入细胞后便于生物降解或吸收，将显著提高治疗效果，同时可以减少药物用量、降低药物的毒副作用；o纳米药物巨大的表面积可以携带多种功能基团，实现药物治疗与疗效跟踪的同步进行；o利用纳米颗粒的多孔、中

30、空、多层等结构特性，可作为药物载体实现药物的缓释控制。o通过纳米微粒可以实现细胞分离、细胞内部染色、靶向给药与靶向治疗等;o纳米粒子可以作为“搬运工”把编码某种癌细胞毒素的DNA植入体内，抑制癌细胞的生长。o纳米尺度的生物活性物质可以用来修复或替换生物组织;o纳米生物传感器可实现癌细胞等重症病变的早期原位诊断、监测与治疗；o纳米机电系统则可快速识别病区，清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，还可以吞噬病毒、杀死癌细胞等。o对DNA螺旋束上的碱基对进行改性，可以制成具有三维结构的纳米级“元件”，进而组装成可用于体内传递药物、修复组织的纳米器件。纳米材料基础与应用27o信息技术领域：信息存储量、处理速

31、度以及通信容量等将得到大幅度提高。o纳米材料的宏观量子隧道效应决定了电子器件的微型化存在极限，纳米信息技术将基于纳米粒子的量子效应来设计、制造纳米量子器件，包括纳米阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系等。o采用“自下而上”的方法来构筑新颖的纳米电子系统，突破硅基半导体的尺寸限制，使集成电路的集成度进一步提高，并最终实现由单原子或单分子构成的可在常温下使用的各种纳米电子器件，使信息采集和信息处理功能产生革命性的变化。o新型的纳米材料与器件，如蛋白质二极管、单电子碳纳米管晶体管、石墨烯等，将有望接替红火了将近半个世纪的硅基半导体，使计算机的运行速度与存储容量再上一个台阶，不仅使

32、掌上电脑成为现实，而且将产生计算速度与存储容量提高上万倍的超级计算机。网络带宽将显著提高，出现集传感、数据处理与通讯为一体化的智能系统。纳米材料基础与应用28o国防领域：光、机、电、磁等系统高度集成的微型化、智能化武器装备。o一枚小型运载火箭就可以发射上千颗的重量不足0.1千克的纳米卫星；o可以悄无声息地潜入敌人内部的如蚊子般的微型导弹；o功能齐全如苍蝇般大小的间谍飞机，可以承担侦查及作战任务、破坏力惊人的“蚂蚁士兵”；o可以单兵携带的电子战系统；o对生物、化学、核武器以及炸药等高度敏感的便携式探测系统。o基于纳米粒子的武器装备隐身技术；o常规武器在纳米材料的帮助下的打击与防护能力得到显著提高

33、；o虚拟训练与虚拟战争系统的仿真程度得到极大的提高。o有望彻底变革未来战争的面貌和形态纳米材料基础与应用29o能源与环境领域：能源的生产效率与使用效率显著提高、而能源的消耗将逐渐减少，同时新能源的成本不断降低。o太阳能、生物质能、风能等非矿物质可再生能源将得到广泛应用，有效降低温室气体的排放，缓解全球气候危机，光电转化效率成倍提高、而成本更低的纳米结构薄膜太阳能电池正在逐渐取代多晶硅电池。o用纳米材料处理废气、废水以及固体废弃物的绿色环境技术将得到广泛应用。含纳米材料的汽车尾气净化催化剂、气缸内催化净化剂、石油脱硫催化剂以及煤炭助燃催化剂的使用将大大降低有害气体的排放；o纳米过滤技术以及纳米吸

34、附材料可显著提高废水处理的效率，而纳米光催化技术在空气净化、自净化、废水处理等领域都有重要的作用。o纳米技术将有助于促进环境污染的有效控制，同时环境监测装置的灵敏度也会大大提高，被污染的环境也将可以到有效的修复。o在水资源开发利用方面，纳米结构过滤膜和分子筛等环境友好型纳米净水材料将广泛用于水处理和海水淡化，为人类提足够供的洁净水，有效缓解全球性的水资源危机。纳米材料基础与应用30o食品领域：通过纳米包覆、纳米加工等方法处理，使食品的质地、味道与加工性得到改善，食品的储存期更长，营养成分在体内的传递以及吸收可以得到有效控制，在保持食物美味的同时大幅降低脂肪、胆固醇等成分的摄入量，可消除肥胖、降

35、低心血管病发病率；o出现交互式的、营养丰富的智能食品。o农业生产技术将呈现精细化与高效率的特征，单位生产力的农作物产量得到显著提高。o制造业：以产品的微型化与功能的高度集成为发展方向，制造成本将不断降低，而生产效率不断提高。o据预测，到2015年，纳米科技产品的全球市场规模将突破3万亿美元，成为市场上的主流产品。纳米材料基础与应用311.3 纳米材料 o1.3.1 纳米材料的定义o我国纳米材料术语标准（GB/T 19619-2004），从纳米尺度、纳米结构单元与纳米材料等3个层面对纳米材料进行了定义。o（1）纳米尺度：1nm到100nm范围的几何尺度；o（2）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征

36、的物质单元，包括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米粒子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等；o（3）纳米材料：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。 纳米材料基础与应用32关于纳米材料定义的讨论o结构：在材料科学中是多尺度的，涉及从原子结构、分子结构、晶体结构到宏观结构等多个层次。oe.g. 晶胞构成晶体材料的“物质单元”o纳米材料反映的是材料外观尺度的特征o纳米材料的简单定义：三维外观尺度中至少有一维处于纳米级（约1100nm）的物质以及以这些物质为主要结构单元所组成的材料。o纳米材料的两种主要类型：o1）具有纳米尺度外形的材料，

37、即狭义的“纳米材料”，它包括原子团簇、纳米粒子、纳米线、纳米管、纳米薄膜等；o2）具有纳米结构的材料（nanostructured materials）：以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料，常被简称为纳米结构材料。o注意区别：结构材料(structural materials) 指的是一类主要利用其力学性能的工程材料，而纳米结构材料的性能并不限于力学领域，不仅有结构材料、还包括各种功能材料。在纳米材料术语标准中，把力学性能得到显著改善的纳米材料称为结构纳米材料(nanostructural materials)。 纳米材料基础与应用331.3.2 纳米材料的发展历史 o古人的“无意之作

38、”：o在2000多年前的希腊罗马时期，古埃及人掌握了一种把头发染黑的技术，其机理是通过原位反应的方式，在头发的皮质层及表层形成了平均粒径约5nm的方铅矿纳米粒子。o我国古代收集蜡烛的烟灰作为墨的原料，所作字画可以历经千年而不褪色，原因在于所使用的原料实际上为纳米级的碳黑；o我国古代的铜镜不生锈，是因为表面有一层纳米氧化锡薄膜起到了防锈层的作用。o公元4世纪古罗马的莱格拉斯雕花玻璃酒杯（Lycurgus Cup），在反射光下呈绿色、在透射光下则呈红色，源于在玻璃杯的内层形成了微量的金、银纳米粒子。纳米材料基础与应用34纳米材料的发展历史 古人的纳米材料作品左：王羲之的“丧乱帖”，1300多年前流

39、传到日本；右：莱格拉斯杯纳米材料基础与应用35o1857年，法拉第制备出了红色的纳米金溶胶，1861年胶体化学建立，各种不过不同方法制备胶体粒子，但是对其独特性能缺乏认识。到20世纪中期，先后开发了辉光放电、气相蒸发等方法，制备出多种超细粒子。o1962年，东京大学的久保亮五（R. Kubo）教授为了解释超细金属粒子的能阶不连续性，提出了超细粒子的量子限域理论。重要的里程碑o1963年，上田良二（Ryozi Uyeda）通过在纯净惰性气体中用蒸发冷凝法制备了几纳米到几百纳米的金属颗粒，并用透射电镜对其形貌和晶体结构进行了研究。o70年代末到80年代初，美国的W. R. Cannon等利用激光辅

40、助制备了可烧结的Si3N4、SiC等非氧化物纳米陶瓷粉体。o1984年德国的H. Gleiter等通过气体蒸发冷凝获得了纳米铁粒子，在真空下原位压制成纳米块体材料，并首次提出了“纳米材料”的概念。纳米材料基础与应用36o1987年美国阿贡国家实验室的Siegel等制备出了纳米TiO2粉体及陶瓷，一系列的研究表明，以纳米粉体为原料制备陶瓷，不仅烧结温度大大降低，而且陶瓷的韧性得到了明显的改善。突破性进展o80年代末，对单一的纳米晶或纳米相材料就行了大量的研究，不仅探索了制备各种不同类型纳米微粒、纳米块体与纳米薄膜的方法，而且纳米材料的结构、性能及表征方法等也得到了广泛的研究。 o1990年，在首

41、次召开的国际纳米科技会议上，正式把纳米材料学定为材料科学的一个分支。纳米材料学科的正式诞生o1994年，在波士顿召开的美国材料研究学会（MRS）秋季会议上正式提出了纳米材料工程的概念，标志着纳米材料正式进入应用研究领域。纳米材料科学与工程成为材料科学与工程学科的一个完整的分支学科，属于纳米科技与材料科学与工程的交叉学科，而纳米材料则成为一种新型的先进材料。纳米材料基础与应用37纳米材料的研究的三个发展阶段：o第一阶段：1990年以前，纳米颗粒、薄膜和纳米块体材料的制备、表征，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。研究对象局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相(nan

42、ocrystalline or nanophase)材料。o第二阶段：19901994年，主要探索纳米复合材料的合成及物性。关注的热点是利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料（nanocomposite materails），通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展纳米复合薄膜。o第三阶段：1994年以来，主要研究纳米组装体系(nanostructured assembling system)、人工组装合成纳米结构材料体系。强调按人们的意愿设计、组装、创造新的纳米体系，实现人们所希望的特性。基本特点是以纳米粒子、纳米线、纳米管等为基本单元在一维、

43、二维和三维空间组装、排列成纳米结构体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系等，这类材料也称作纳米尺度的图案材料(patterning materials on the nanoscale)，以DNA为代表的分子纳米材料及其组装体系成为近期的研究热点。 纳米材料基础与应用381.3.3 纳米材料的分类 o按成分分类：纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米高分子材料与纳米复合材料；o按性能分类：结构纳米材料、纳米磁性材料、纳米压电材料、纳米铁电材料、纳米光子学材料、纳米发光材料、纳米催化材料等；o按用途分类：纳米电子材料、纳米生物材料、纳米建筑材料、纳米隐形材料等等。 o纳米材

44、料的主要特征在于其外观尺度，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是目前流行的纳米材料分类方法，可分为零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料和三维纳米材料（表1.1）。其中零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料可作为纳米结构单元组成纳米固体材料、纳米复合材料以及纳米有序结构。 纳米材料基础与应用39表1.1纳米材料的分类 基本类型尺度、形貌与结构特征实例零维纳米材料三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状。原子团簇（atom cluster），量子点（quantum dot），纳米粒子（nanoparticle）一维纳米材料单向延伸，二维尺度为纳米级，第三维尺度不限。纳米棒（nanoro

45、d），纳米线（nanowire），纳米管（nanotube），纳米晶须（nano whisker），纳米纤维（nanofiber），纳米卷轴（nanoscroll），纳米带（nanobelt）单向延伸，直径大于100纳米，具有纳米结构。纳米结构纤维（nanostructured fiber）二维纳米材料一维尺度为纳米级，面状分布。纳米片（nanoflake），纳米板（nanoplate），纳米薄膜（nanofilm），纳米涂层（nanocoating），单层膜（monolayer），纳米多层膜（nano multilayer）面状分布，厚度大于100纳米，具有纳米结构。纳米结构薄膜（nanos

46、tructured film），纳米结构涂层（nanostructured coating）三维纳米材料包含纳米结构单元、三维尺寸均超过纳米尺度的固体。纳米陶瓷（nanoceramics），纳米金属（nanometals），纳米孔材料（nanoporous materials），气凝胶（aerogel），纳米结构阵列 （nanostructured arrays）由不同类型低维纳米结构单元或低维纳米结构单元与常规材料复合形成的固体。纳米复合材料（nanocomposite materials）纳米材料基础与应用401.3.4 纳米材料研究现状 o国际著名出版商爱思唯尔(Elsevier)集团主

47、办的 Materials Today于2008年评选出了过去50年间材料科学领域的10大进展o与纳米材料直接相关：o扫描探针显微镜（2）（括弧内为排名，下同）o巨磁电阻效应（3）o美国国家纳米科技计划（5）o碳纳米管（8）o发展到了纳米尺度的领域：o国际半导体技术路线图（1）o半导体激光器和发光二极管（4）o碳纤维强化塑料（6）o锂离子电池材料（7）o软刻蚀（9）o超材料（10）纳米材料基础与应用41碳纳米材料o继富勒烯与碳纳米管之后，2004年曼彻斯特大学A. K. Geim 等又发现了由单层碳原子构成的石墨烯 (Graphene)，石墨烯的厚度仅相当于一个碳原子，具有非凡的电子、热学和力学

48、性能，不仅是迄今为止最薄的一种材料，而且是最为牢固、室温下电子传递速度最快的材料，有可能代替硅用于未来的超级计算机。最近IBM的科学家研发了一种用石墨烯制作的场效应晶体管，其栅极长度为240纳米，截止频率达100 GHz，已超过了栅极长度相同的最先进硅晶体管的截止频率（40GHz）。 图1-3 三种典型碳纳米材料的结构示意图从左到右依次为：富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯纳米材料基础与应用42o北京时间10月5日下午5点45分，2010年诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学2位科学家安德烈盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）因在二维空间

49、材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验而获奖。 纳米材料基础与应用43纳米材料的制备o几乎所有用来制备材料的物理、化学方法都发展出制备纳米材料的工艺；o气相法、液相法得到了长足的发展，由于机械化学法、非晶晶化法等工艺的发展，固相法也占据了一席之地。o激光、微波、等离子体、电子束、离子束、超声波、磁场、电场、超重力场等多种物理手段被广泛地应用于辅助制备各种纳米材料与纳米结构。o研究重点：纳米材料的可控制备与应用，通过采用合理的工艺，精确控制纳米材料的成分、显微结构、粒度与形貌等特征，使纳米材料具有人们所需要的性能。o关注：纳米材料的微观结构、结构与性能的关系、结构稳定性以及化学稳定性等特

50、征。 纳米材料基础与应用44零维纳米材料o金属纳米粒子、半导体纳米粒子、陶瓷纳米粒子以及量子点的可控制备取得了长足的进展。o纳米粒子的表面进行有机或无机包覆改性：o控制纳米粒子在制备与加工过程中长大及团聚。o消除颗粒表面的电荷效应、有效防止团聚，o在通过烧结等高温过程制备纳米结构块体或薄膜材料时可以抑制颗粒的长大，o有利于纳米粒子与高分子材料复合。o近来研究的热点：在电子信息、生物医学等诸多领域有广泛的应用前景的过渡金属纳米粒子与贵金属纳米粒子。 纳米材料基础与应用45一维纳米材料o研究重点：纳米管与纳米线，o碳纳米管：大批量制备与高效分离、纯化仍然是亟待解决的难题。最近的进展包括一步合成碳纳