纳米材料科学苏丽芬课件绪论.ppt
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1、2022-11-30安徽大学化学化工学院纳纳 米米 材材 料料 科科 学学2022-11-30安徽大学化学化工学院材料科学的内涵材料科学的内涵 性能性能使用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构材料科学材料科学材料科学材料科学是一门研究材料是一门研究材料合成与制备、合成与制备、组成与结构、组成与结构、性能、性能、使用效能使用效能 四者之间的四者之间的关系与规律关系与规律的科学。的科学。2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院章节章节教教 学学 主主 要要 内内 容容学时数学时数备注备注第一章第一章 绪论绪论 2第二章第二章 纳米微粒纳米微粒
2、的结构和性能的结构和性能8第三章第三章 纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法10第四章第四章 纳米材料的测试、表征方法纳米材料的测试、表征方法6第五章第五章 纳米材料的应用纳米材料的应用8合合 计计34+22022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院 2022-11-30安徽大学化学化工学院 大哥大大哥大2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院 1.1.1 纳米有多小?纳米有多小?十亿分之一米十亿分之
3、一米地球半径地球半径:5,000,000:5,000,000米米人的身高人的身高:1.7:1.7 米米玻璃弹球直径玻璃弹球直径:2:2 厘米厘米蚂蚁蚂蚁:2:2 毫米毫米头发直径头发直径:80:80 微米微米微生物微生物:几纳米几纳米-几十纳米几十纳米DNA DNA 螺旋半径螺旋半径:1 1纳米纳米 1 米米=1000 毫米毫米 1 毫米毫米=1000 微米微米 1 微米微米=1000 纳米纳米 1 纳米纳米=10-9 米米一纳米与一米相比一纳米与一米相比等于等于玻璃弹球比地球玻璃弹球比地球纳米的词头纳米的词头“Nano”来源于希腊语,是矮子、侏儒来源于希腊语,是矮子、侏儒的意思,后作为词头表
4、示微毫,即的意思,后作为词头表示微毫,即10-9。2022-11-30安徽大学化学化工学院Prefixes for fractions and multiples of SI units.2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院Nanotechnology:Size Matters2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院1974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技
5、术一词描述精密机械加工。描述精密机械加工。1982年,科学家发明研究纳米年,科学家发明研究纳米世界世界的重要工具的重要工具扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极的促进作用。子世界,对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生。国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的体积钢的六分之
6、一,强度却是钢的10倍,成为纳米技倍,成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。2022-11-30安徽大学化学化工学院1993年,继年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商年美国国际商用机器公司在镍表面用用机器公司在镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM
7、”之之后,中国科学院京真空物理实验室自如地操纵原子后,中国科学院京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出成功写出“中国中国”二字,标志着我国开始在国际纳二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动年,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单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年,巴西和美国科学家在进行碳纳米管实年,巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的验时发明了世界上
8、最小的“秤秤”,它能够称量十亿,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不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤秤”,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。2022-11-30安徽大学化学化工学院Nanotechnology Milestones1959R.Feynman Delivers“Theres Plenty of Room at the Bottom”1974First Molecular Electronic Device Paten
9、ted1981Scanning Tunneling Microscopy(STM)1986Atomic Force Microscopy(AFM)Invented1989 IBM Written With 35 Xe atoms1991Carbon Nanotubes Discovered2000US Launches National Nanotechnology Initiative2022-11-30安徽大学化学化工学院“I am not afraid to consider the final question as to whether,ultimately-in the great
10、 future-we can arrange the atoms the way we want;the very atoms,all the way down!The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.a development which I think cannot be avoided.”“Theres Plenty of Room at the Bottom”Richard Feynman 29/12/1959 2022-11-30
11、安徽大学化学化工学院Xenon on Nickel(110)1989:Atomic manipulation by STMIBM logo 35 Xenon atomsIBM Almaden Research Center,San JoseThe enabling tool STM(Scanning Tunneling Microscope)Can be used not only to image a surface with atomic resolution,but also to manipulate individual atoms and molecules.2022-11-30安
12、徽大学化学化工学院Iron on Copper(111)Carbon Monoxide Man Media:Carbon Monoxide on Platinum(111)2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院Nickel(110)铁在铜铁在铜111面上面上Response of a Superconductor to a 4f Magnetic Impurity Media:Gadolinium on Niobium(110)2022-11-30安徽大学化学化工学院Nan
13、o-balance2022-11-30安徽大学化学化工学院石墨烯石墨烯2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖2。石墨烯目前是世上最薄最薄却也是最坚硬最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透完全透明明的,只吸收2.3%的光;导热系数高导热系数高达5300 W/mK,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率电子迁移率*超过15000 cm²/Vs,又比纳米碳管或硅晶体*高,而电阻率只约10-6 cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最
14、小电阻率最小的材料。2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院纳米的含义纳米的含义纳米技术纳米技术纳米科技的特点纳米科技的特点纳米纳米nanometer,是一个长度单位,是一个长度单位,简称为简称为nm。1nm=10m-3=10-6mm=10-9m。纳米是一个极小纳米是一个极小的尺寸,它又代的尺寸,它又代表人们认识上的表人们认识上的一个新的层次,一个新的层次,从微米进入到纳从微米进入到纳米。米。其内容是在纳米尺其内容是在纳米尺寸范围内认识和寸范围内认识和改造自然,通过改造自然,
15、通过直接操纵和安排直接操纵和安排原子、分子而创原子、分子而创造新物质。它的造新物质。它的出现标志着人类出现标志着人类改造自然的能力改造自然的能力已延伸到原子、已延伸到原子、分子水平,标志分子水平,标志着人类科学技术着人类科学技术已进入一个新的已进入一个新的时代时代纳米科纳米科技时代。技时代。纳米技术是一门多学科交纳米技术是一门多学科交叉的、基础研究和应用叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新技开发紧密联系的高新技术,如纳米生物学、纳术,如纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、米电子学、纳米化学、纳米材料学和纳米机械纳米材料学和纳米机械学等新学科。纳米不仅学等新学科。纳米不仅是一个空间尺度上的概是一
16、个空间尺度上的概念,而且是一种新的思念,而且是一种新的思维方式,即生产过程越维方式,即生产过程越来越细,以至于在纳米来越细,以至于在纳米尺度上直接由原子分子尺度上直接由原子分子的排布制造具有特定功的排布制造具有特定功能的产品。能的产品。1.3 纳米科学与技术的内涵纳米科学与技术的内涵2022-11-30安徽大学化学化工学院纳米科学与技术的概念与内涵纳米科学与技术的概念与内涵纳米科学纳米科学纳米物理学纳米物理学纳米化学纳米化学纳米生物学纳米生物学纳米材料学纳米材料学纳米金属材料纳米金属材料纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料纳米复合材料纳米复合材料介孔材料介孔材料纳米技术纳米技术(工程学)(工程学)纳米电子
17、学、纳米加工纳米电子学、纳米加工纳米力学、纳米机械纳米力学、纳米机械纳米光子学、纳米光子学、纳米物质的测控纳米物质的测控应用应用2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院2022-11-30安徽大学化学化工学院纳米材料科学研究的对象纳米材料科学研究的对象 纳米材料科学主要研究纳米超微粒子的纳米材料科学主要研究纳米超微粒子的制备、结构和特性,同时也研究纳米固体材制备、结构和特性,同时也研究纳米固体材料和纳米组装材料。料和纳米组装材料。2022-11-30安徽大学化学化工学院(1)叶绿素是进行光合作用的核心,其内)叶绿素是进行光合作用的核心,其内部有纳米级的分
18、子结构(色素分子,如叶绿部有纳米级的分子结构(色素分子,如叶绿素),它们分布在叠合的类囊体间。其表面素),它们分布在叠合的类囊体间。其表面/体积比高,具有转化光能为生物化学能的高体积比高,具有转化光能为生物化学能的高活性活性(2)人和动物牙齿表面的纳米级微晶,光)人和动物牙齿表面的纳米级微晶,光滑而坚硬。软体动物鲍鱼的坚硬外壳是在纳滑而坚硬。软体动物鲍鱼的坚硬外壳是在纳米尺度上将蛋白质与碳酸钙调和,重新构建米尺度上将蛋白质与碳酸钙调和,重新构建而成。能弥合裂缝、抵制利齿,锤击而成。能弥合裂缝、抵制利齿,锤击.自然界的纳米材料和结构自然界的纳米材料和结构2022-11-30安徽大学化学化工学院2
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