纳米材料及其应用课件.ppt

1、The Small World2国内纳米技术进展国内纳米技术进展 1993年，中科院操纵原子写字 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 中国科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”3中科院化冶所“七五攻关”纳米碳化硅“八五863”纳米阻燃剂中科院化学所 纳米领带：超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材：高强度、抑菌功能4我国的机遇与挑战纳米科技领域二百年回顾蒸汽机技术、电气化技术、微电子技术的高潮都错过IT产业、网络通讯与西方差距不大纳米技术使大家都面临着重新变革，相当于5

2、千米赛跑，都才跑出500米，我们落后得不是很多，有的还不落后5 纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层纳米科技与军事技术61.纳米热纳米热现象：现象：纳米领带、冰箱、布、绑带、药丸、化肥、玩具、皮鞋、杯、水泥、油 72.纳米材料：纳米材料：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所构成的材料。按维度数零维：纳米微粒、原子簇团一维：纳米丝、纳米棒、纳米管二维：超薄膜、多层膜84.纳米自组装体系：纳米自组装体系：由纳米微粒以及它们组成的纳米丝或管

3、为基本单元，经过人工组装，在一维、二维、三维空间合成的纳米结构体系，也叫纳米尺度的图案材料。3.纳米物质：纳米物质：纳米物质在自然界中早已存在，只是人类未认识罢了，如DNA，小蜜蜂体内存在的纳米级的磁性颗粒充当罗盘导航用。9 以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构成的新体系，包括一维、二维、三维等。有天然和人工两种天然天然:脱脱氧核糖核酸氧核糖核酸DNA结构结构生命遗传信息的载体人工：自组装而成人工：自组装而成:纳米马达、纳米机器人等纳米马达、纳米机器人等DNA马达马达5.纳米结构：纳米结构：10傳統的纳米科技是由大而小11未的纳米科技是由小而大12将铁(Fe)原子于铜(Cu)表面排列成原子

4、二字，汉字的大小只有几个纳米。13 球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积（V）与D3成正比，故其比表面积（AV）与直径成反比。D ，AV ，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。1.表面效应表面效应2 纳米材料的特异效应纳米材料的特异效应14 若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为 210-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立

5、方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性。金属纳米粒子在空气中燃烧，无机纳米粒子吸附气体，与气体反应。15 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。如下一系列新奇的性质：2.小尺寸效应小尺寸效应（1）特殊的光学性质特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑16（2）特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时

6、，其熔点是固定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，减小到2纳米尺寸时的熔点为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。17（3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁

7、性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。18 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。19（4）特殊的力学性质）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容

8、易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。20图图2.陶瓷材料21（5）量子尺寸效应）量子尺寸效应 大块材料中能级、能级合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，看作是连续的。对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。22（6）宏观量子隧道效应）宏观量子隧道

9、效应量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力宏观量子隧道效应：人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。2324纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应照理说荷叶的基本化学成分是多醣类的碳水化合物，有许多的羟基（-OH）、（-NH）等极性原子团，在自然环境中很容易吸附水分或污

10、垢。但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。经过科学家的观 察研究，在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。2526 经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人

11、类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面自我洁净的奥妙所在。27 鹅毛和鸭毛是防水的。鴨毛与鵝毛的排列非常整齊，且毛与毛间的縫隙极小，小到纳米尺寸，所以水分子無法穿透层层的鴨毛与鵝毛：故水中的鴨与鵝可以保持身体的乾燥。28 把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。利用纳米材料的疏水性能在汽车挡风玻璃上将会起到很好的去水、去雾作用。29“自清洁”的纳米材料30孔雀羽毛的颜色是如何产生的？Every branch carries a series of bri

12、ght colored spots,the actual color depending on the exact position of the spot on the branch and on the angle of the incident light.31Detail of a peacock feather.The iridescent plumage of the peacock originates in the fine side branches of the feathers.32View at different angles.The color of a peaco

13、ck feather is caused by its complex structure.The coloring changes with the angle of incident light-a characteristic feature of the structure-caused colors due to micro lamellas33Down side of the feather.Each branch has round indentations,with micro-lamellas on the bottom of each indentation which d

14、isperse the incident light,coloring the feathers 34 孔雀羽毛的颜色策略非常精妙，小羽枝表皮下面的周期结构是羽毛结构颜色的起因。实验和理论模拟显示二维周期结构沿表皮方向对某一波段的光有很强的反射，形成颜色。其调控方式有两种，一种是调控周期长度，另一种是调控周期数目。不同颜色是由于表皮下的周期结构的周期长度不同，蓝色、绿色、黄色、棕色小羽枝对应的周期长度依次增大。棕色羽毛还利用了Fabry-Perot干涉效应，其周期数目最小，由F-P效应造成额外的蓝颜色，形成混合色而呈棕色。35 一九九一年，日本电气公司(NEC)首席研究员的饭岛澄男利用碳电弧放

15、电法合成碳六十分子时，偶然于阴极处发现针状物，经过高分辨率穿透式电子显微镜分析其结构，发现这些针状物为碳原子所构成的中空管状体，直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物，其比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。从月球地球唯一不被自重拉断的绳索。从月球地球唯一不被自重拉断的绳索。纳米碳管纳米碳管3637单层纳米碳管单层纳米碳管双层纳米碳管双层纳米碳管38基于纳米碳管的纳米电机39纳米结构的组装有人工和自然两种。自然的有DNA、鸭、鹅毛等。人工的主要考STM进行原子组装 NASA：人工组装，按照人类的意志，利用物理和化学的方法

16、人工的将纳米尺度的物质单元组装、排列、构成一维、二维、三维体系的纳米结构体系。40 由日本Morinobu ndo 教授研究小组，于2002年2月初发表，成功研制出世界上最小的齿轮。该齿轮直径仅有0.2mm，具有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这为分子机器的实现又迈进了一大步。此外，科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。基于纳米碳管的纳米电机纳米齿轮41材的自我组織方法 颗以自我组織方式形成規則方形排的单层陣 自组装体系，通过弱小的和较小方向性的共价键，把原子、离子和分子连接在一起，构

17、成一个纳米结构或纳米结构的花样。4243 科学家就纳米碳管的尖端施以小电压后(较电子枪所需的电压小多了)，就可轻易地释放电子。现在韩国三星公司已可将纳米碳管做成超微小电场电子发射或简称为场发射屏幕，若技术成熟把成本降低后，将取代传统式体积庞大的阴极射线管(CRT)屏幕。未来可期的事是：厚度如同纸张的纳米碳管显示器将比传统阴极电视或液晶屏幕薄上千万倍。除省电外，纳米碳管显示器具可卷曲的特性将更方便携带，并且降低了搬运的困难。44纳纳米科技五大明星米科技五大明星产业产业45 以纳米碳管作为场发射子，仅需4V左右的驱动电压，可作为场发射显示器的元件。Milne等科学家发展出以单一光罩与自对准技术制造

18、出场发射微阴极的技术，该技术能保证纳米碳管与闸极针孔中心能够共线。每一微穴中約有十余只纳米碳管，其直径约10-50nm，长度0.4微米。46 三极场发射元件三极场发射元件，可利用，可利用闸极控制场发射电流密度。闸极控制场发射电流密度。47根据科学家的研究，纳米碳管此类的碳结构可提供有效且清洁的储氢能力，较某些已知的固体材料在室温下可储存更多的氢，每个碳管就像是微小的海绵，可作为汽车中燃料电池的氢容器。纳米电池纳米电池-储氢的纳米碳管储氢的纳米碳管 48 1999年，巴西和美国科学家发明了碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量(碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化)，随后德

19、国科学家称量单个原子重量的“纳米秤”49纳米药物导弹纳米药物导弹 近来发现C60的结构能够迅速地与爱滋病毒结合，而将爱滋病毒的毒性减低，故可发展C60的衍生药物来阻止病毒的扩散。亦有报导指出，C60球内可填充金属元素，未来可利用其中空构造来携带药物。当这些纳米药物导弹进入人体到达患病处时，释放其内部的药物以破坏病毒体内的基因蛋白机制，达到准确歼灭目标的作用。50材料世界中的大力士材料世界中的大力士纳米金属块体纳米金属块体 金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。图图4.纳米金属铜的超延展性51纳米材料的应用纳米材料的应用磁学磁学纳米催化纳米催化光学应用光学应用陶瓷增韧陶瓷增韧医学应用医学应用敏感性能的应用敏感性能的应用工业填料中的应用工业填料中的应用52