纳米功能材料绪论课件.pptx

1、纳米纳米功能材料功能材料Functional Nanomaterials主要任务 纳米材料因为其特殊的结构和功能在不同的应用领域展示了广阔的前景。本课程的主要任务是介绍在纳米尺度上材料所独有的纳米效应，并介绍与纳米材料相关的制备、表征方法、功能应用等基本知识，加深学生对材料制备-结构-性能之间关系的理解，并结合纳米材料在光、电、磁等典型领域的应用实例，介绍纳米功能材料的最新进展及研究热点，培养学生自学和利用参考资料等方面的能力，强化学生的专业思想，激发学生学习化学的兴趣，全面提高学生的综合素质。教学大纲（纳米功能材料）课堂内容课堂内容学时（学时（40）1.绪论绪论12.纳米材料的基本特性纳米材

2、料的基本特性43.典型纳米结构与纳米材料典型纳米结构与纳米材料64.纳米材料制备方法纳米材料制备方法65.纳米材料的表征方法纳米材料的表征方法 66.纳米材料的应用纳米材料的应用 47.纳米催化功能材料纳米催化功能材料 68.纳米材料与锂离子电池纳米材料与锂离子电池 7课程课程安排安排平时成绩+期末考试 课堂作业回答问题考 勤*期末考试25151050成绩评判成绩评判了解什么是纳米效应，能够举实例说明其具体内容熟悉透射电镜的基本结构及成像原理能够认识纳米材料尺寸控制的常规机制和途径，并能够举例说明掌握控制纳米晶生长的几种常规机理，特别是加深对纳米晶粒度均一性实现路径的认识（Size Focus

3、ing）掌握锂离子电池的工作原理及特点，并能举例说明纳米材料在电池电极材料上的应用掌握燃料电池的工作原理，并举例说明纳米材料在燃料电池电极上的应用对纳米技术在国民经济中的应用有更深刻的认识相关课程需具备的能力：纳米纳米功能材料：绪论功能材料：绪论1纳米技术的产生背景2纳米技术的应用3纳米技术的发展趋势与挑战4纳米材料的地位和展望纳米概念的提出纳米概念的提出Theres Plenty of Room at the BottomWhat I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a s

4、mall scale产生产生背景背景纳 米 科学 技术是 指在纳 米 尺度 范围认 识和 改 造 客 观世界 的 门 崭新的 综合 性 科学技 术。在认 识 自 然方 而,它 正在填 补人类 对介观 区 域/宏 观微观 之间 的连 接 区知识 的 不足,在 改造 自然 方 而,它使 人 类 的 水平从 微米层 次延伸 到 纳 米层 次。它 有助 于 人 类按 照设计 要求 制 造 纯净 的 或具 有特定 功 能的 材料,制 造速度 更快、容 量更 高 的 原 子开 关与 分 子 逻辑 器 件,制造 可编 程的 分 子机器 并用 以 进行 高效率 的 制 造和 修理,清 除污染,改 造生 存 环

5、境,再造 物种等等。纳 米 科学 技术 的 发 展将 导 致 人 类 改造世 界的 一 次新 飞 跃。这 前景 引 起 关心未 来发展 的 科学家们 的严肃思考。纳 米科学技术:一个正在兴起的战略性科技领域摘 自中 国 科 学 院 纳 米 科 学技 术发展 战 略研讨会 纪要1991年11月13日至15日From Micro to Nano产生背景产生背景纳米纳米:Welcome,U are Nano now!Finally 纳纳是多少是多少米米？纳米科技的应用纳米科技的应用纳米纳米的的世界：世界：nanonano as building blocks as building blocksNa

6、notechnology is engineering at the molecular(groups of atoms)level 未来科学的发展无非是向宏观世界和微观世界进军 -爱因斯坦NanoDimensions0D1D2D12The Nobel Prize in Physics 1986The Nobel Prize in Physics 1986 was divided,one half awarded to Ernst Ruska for his fundamental work in electron optics,and for the design of the first

7、electron microscope,the other half jointly to Gerd Binnig and Heinrich Rohrer for their design of the scanning tunneling microscope.Ernst RuskaPrize share:1/2Gerd BinnigPrize share:1/4Heinrich RohrerPrize share:1/4http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/Incorporate sustainabilit

8、y in the responsible development of nanotechnology1.1982年发明的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)和1986年2.发明的原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是纳米测量表征上的一个里程碑,标志着纳米科技从概念阶段,进入到实质性研究阶段。2.从1988年第一台计算机控制的STM和1989年第一台AFM研制成功开始至今,中国纳米科技创新系统的形成。3.2000年美国率先发布了“国家纳米技术计划”（NNI）4。2000年,中国组建国家纳米科技指导协调委员会,其主要

9、任务是制定“国家纳米科技发展纲要(20012010)”纳米纳米的兴起的兴起:Nobel PrizesNobel Prize in Physics in 2010 for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene.Completedin2006-2008,theNSRCsareServingUsersMolecular Foundry(Lawrence Berkeley National Lab)Center for Functional Nanomaterials(Brookhaven

10、National Lab)Center for Integrated Nanotechnologies(Sandia&Los Alamos National Labs)Center for Nanophase Materials Sciences(Oak Ridge National Lab)Center for Nanoscale Materials(Argonne National Lab)16古代的纳米科技古代的纳米科技纳米科技的纳米科技的应用：古人的智慧应用：古人的智慧神秘的卢奇格斯杯，由双色玻璃制成，光线从正面照射时呈绿色，从后面照射时呈红色。最令人感到不可思议的是，古罗马人在制作卢

11、奇格斯杯时采用了与现代纳米技术类似的工艺,科学家发现古罗马人将金银颗粒（50 nm）植入玻璃，其工艺的精确性之高令人感到吃惊。(From Wikipedia)古罗马的纳米科技古罗马的纳米科技纳米科技的应用：古代的智慧荷叶表面的微米/纳米复合结构与其表面的植物蜡所产生的共同作用纳米科技的应用：自然的选择纳米科技的应用：自然的选择蝴蝶的翅膀：光子晶体光子晶体是一类在光学尺度(100nm量级)上具有周期性介电结构的晶体。原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。自然界中的纳米自然界中的纳米科技科技自然界中的纳米科技自然界中的纳米科技自然界中的纳米科技自然界中的纳米科技自然

12、界中的纳米科技自然界中的纳米科技壁虎：脚下的奥秘自然界中的纳米科技自然界中的纳米科技Biomineralization:ApavementofpearlNature 389,912-915(30October1997)自然界中的纳米科技自然界中的纳米科技BIOMINERALIZATION：How does a cell translate linear DNA sequence information into patterned three-dimensional structures?Scanning electron microscopy images of cell walls fro

13、m different diatom species.Images in top and middle row show overviews and the bottom row shows details of individual cell walls.http:/ww2.chemistry.gatech.edu/kroeger/Kroeger/biomineralization.html自然界中的纳米自然界中的纳米科技：生物矿化过程科技：生物矿化过程Diatom cell walls are made of amorphous,hydrated SiO2(silica)and exhib

14、it highly regular porous patterns which are hierarchically arranged from the nano-to micrometer scale.纳米科技的应用领域纳米科技的应用领域 1.环境环境 2.能源能源 3.生物医学生物医学 4.电子器件电子器件 纳米功能材料：环境影响纳米功能材料：环境影响 利弊之争：Nanotechnology and the environment:A mismatch between claims and reality纳米功能材料：环境保护纳米功能材料：环境保护 Nanomaterials for ai

15、r purificationEnvironmental Nanotechnology纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化Generic potential energy diagram showing the effect of a catalyst in anhypothetical exothermic chemical reaction X+Y to give Z.Thepresence of the catalyst opens a different reaction pathway(shownin red)with a lower activation energy.T

16、he final result and the overallthermodynamics are the same.纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化OntheTiO2(110)at80oCOntheMo-(112)-(82)-TiOxatroomtemperature纳米催化纳米催化纳米催化纳米催化TheTerawattChallengeAdaptedfromRichardSmalleyspresentationon“OurEnergyChallenge”atthe2004InternationalElectronDevicesMeeting(IEDM),SanFrancisco,CA12/14/04Primarysourcefor2003data:InternationalEnergyAgency51015OilCoalGasNuclearBiomassHydroOtherPowerConsumedTW200314TWtotal205030TWtotalscenarioGlobalRateofPrimaryEnergyConsumptionSolarWindGeothermal0.5%0