化学前沿(2)——纳米材料与化学.ppt

化学前沿 2 纳米材料与化学 一序言1 什么是纳米科技 纳米科学技术是研究在千万分之一米 10 8 到亿分之一米 10 9米 内 原子 分子和其它类型物质的运动和变化的学问 同时在这一尺度范围内对原子 分子进行操纵和加工又被称为纳米技术 纳米科技是21世纪科技产业革命的最重要内容之一 是可以与产业革命相比拟的 它是高度交叉的综合性学科 包括物理 化学 生物学 材料科学和电子学 它不仅包含以观测 分析和研究为主线的基础学科 同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学 所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系 而其中纳米材料和技术又是纳米科技领域中最基础 最富有活力 研究内涵十分丰富的一门学科分支 图1 1Nanotechnology封面 二 纳米材料 颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料颗粒状的叫纳米颗粒 如果是由纳米颗粒凝聚而成的块体 薄膜多层膜和纤维 则叫纳米结构材料 nano structuredmaterials 图2 1纳米材料概念图示 图1 1Nanotechnology封面 图2 1纳米材料概念图示 图1 1Nanotechnology封面 图1 2纳米界名人语录 图1 2纳米界名人语录 颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料颗粒状的叫纳米颗粒 如果是由纳米颗粒凝聚而成的块体 薄膜多层膜和纤维 则叫纳米结构材料 nano structuredmaterials 纳米材料的自然历史宇宙大爆炸以后的冷却时期 当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构 自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构 贝壳和动物骨骼 原始人类发现火的时候 他们创造了 人工纳米材料 烟粒 西汉铜镜和黑漆鼓 徽墨 漆器 纳米材料科学史RichardFeynman lateraNobellaureate 1959 Icanhardlydoubtthatwhenwehavesomecontrolofthearrangementofthingsonasmallscale wewillgetanenormouslygreaterrangeofpossiblepropertiesthatsubstancescanhave 图2 3费曼语录 纳米材料的自然历史宇宙大爆炸以后的冷却时期 当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构 自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构 贝壳和动物骨骼 原始人类发现火的时候 他们创造了 人工纳米材料 烟粒 西汉铜镜和黑漆鼓 徽墨 漆器 图2 2自然界里的纳米材料 三 纳米材料的奇特性能 1 多样的结构与形貌 以最热门的纳米材料 碳纳米管为例 图3 1多样的碳纳米材料 图3 1多样的碳纳米材料 图3 1多样的碳纳米材料 图3 1多样的碳纳米材料 图3 1多样的碳纳米材料 图3 1多样的碳纳米材料 1 多样的结构与形貌 以最热门的纳米材料 碳纳米管为例 碳纳米管的形成和结构 图3 1多样的碳纳米材料 2 纳米材料的奇特物理性能力学性能 改善材料的强度 塑性与韧性 图3 2纳米铜的超塑性 图3 3碳纳米管的强度测量 图3 3碳纳米管的强度测量 光学性能 宽频带强吸收蓝移现象纳米微粒发光丁达尔现象拉曼散射变化 图3 5纳米材料光学性能 3 催化性能改进比表面积很大 增强了催化剂吸附反应物的能力 吸收光谱吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活性提高 粒径通常小于空间电荷层的厚度 使电子从内部扩散到表面的时间减少 提高了光致电荷分离的效率 提出问题 既然纳米材料具有如此多的特异而优良的性能 费曼又早在六十年代就提出了纳米技术的构想 为什么直到今天 纳米技术才真正轰轰烈烈的发展起来呢 这主要是因为两方面的原因 一方面 纳米材料的理论基础是在最近几十年里才日趋完善 另一方面 由于SPM等相关探测技术的发展使得我们能够真正在原子分子量级上观察物质 操纵物质 四纳米材料的理论基础 技术基础 1 纳米材料的理论基础 认识突破纳米材料的结构模型电子能级的不连续性 kubo理论量子尺寸效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应 纳米材料的结构模型纳米固体可分为两种组元晶粒组元界面组元界面的结构模型Gleiter 类气态模型Siegel 有序模型多样结构 有序 短程有序 无序结构 图4 1纳米材料的结构模型实例 1 纳米材料的理论基础 认识突破电子能级的不连续性 kubo理论量子尺寸效应和得到 表面原子特点 1 原子配位不满 多悬空键 2 高表面能 高表面活性引发性能 1 导致表面原子输运构型变化 催化 2 电子自旋构象能谱变化 光学性能宏观量子隧道效应原子配位不满 多悬空键微观粒子具有贯穿势垒的能力宏观量子隧道效应一些宏观量 如微颗粒的磁化强度 量子相干器件中的磁通量 具有的隧道效应意义 它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限 2 纳米材料的检测手段 技术基础晶体结构分析XRD X raydiffraction X射线衍射仪谢乐公式 B 0 89 Dcos 微结构与形貌分析TEM transmissionelectromicroscopy 透射电镜HRTEM highresolutiontransmissionelectromicroscopy AFM atomicforcemicroscopy 原子力显微镜STM scanningtunnellingmicroscopy 扫描隧道显微镜 图4 3STM照片 图4 3STM照片 图4 4STM的针尖阵列 图4 8Atombyatomchemistry 图4 5具有化学键分辨率的C60单分子STM图象 图4 6原子级的 原子 图4 7最小的书法 IBM 2 纳米材料的检测手段 技术基础表面成分分析AES俄歇电子能谱分析FIM场离子显微镜和原子探针XPSX射线电子能谱IMF离子探针 五纳米材料与化学的关系 1 纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次2 化学为纳米材料创造了丰富的研究对象 光导纤维 1 纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次化学传统的研究层次 一向限定在分子与原子之间的层次 表面化学和胶体化学早就提示分子以上还有一个新世界 化学没有理会 纳米材料给化学的启示 决定功能的不仅是构成系统的基本分子的理化性质 还要看分子怎样组装成为分子聚集体的 发展分子以上层次化学已成为一个趋势 2 化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学的特长研究自然创造新物质 完成新变化化学对纳米材料的意义 提供了丰富的制备方法固相法气相法液相法 2 化学为纳米材料创造了丰富的研究对象固相法高能球磨法 以机械粉碎与研磨为主体来实现粉末微细化优点 工艺简单 产量高 可获得常规方法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料 缺点 晶粒尺寸不均匀 易引入杂质 非晶晶化法适用某些成核激活能小晶粒长大激活能大的非晶合金 气体冷凝法特点 可通过调节惰性气体压力 温度 蒸发物质的分压即蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小 溅射法优点 1 制备高熔点金属 2 制备多组元化合物流动液面上真空蒸度法产物优点 1 多种金属的超微粒 2 粒径均匀 分布窄 3 尺寸可控 固相法溶剂热溶剂热是在高温高压下在水 水溶液或其他溶剂 或蒸汽等流体中进行有关化学反应的方法 优点 1 可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳米的粉末 2 粒度分布窄 团聚程度低 纯度高 晶格发育完整 有良好的烧结活性 3 在制备过程中污染小 能量消耗少 4 溶剂热中选择合适的原料配比尤为重要 对原料的纯度要求高 微乳液法 1 微乳液是指两种互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的混合物 2 由分别包有两种反应物的微乳液混合使微液滴发生碰撞发生反应 3 雾化焙烧法 4 沉淀颗粒非常微小 而且均匀 固相法溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备 前驱物用金属醇盐或非醇盐均可 方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶 再制成凝胶 经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子 基本原理 溶胶的制备 溶胶 凝胶转化 凝胶干燥 产品特点 1 化学均匀性好 2 高纯度 颗粒细固相法超分子自组装 1胶态晶体法 是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组装成超晶格 可得到二维或三维有序的超晶格 图5 3胶体晶体法的一种机理 图5 4胶体晶体法的自组装产物 图5 4胶体晶体法的自组装产物 2 化学为纳米材料创造了丰富的研究对象固相法超分子自组装 2模板法利用纳米团簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的组装 1 固态高分子膜模板 2 单分子膜模板 3 简单有机分子模板 4 生物分子模板 5 混合模板法 图5 4胶体晶体法的自组装产物 六纳米材料与化学携手创造奇迹 随着纳米材料研究的不断深入 其应用研究也在向各个不同的领域逐渐渗透1 信息技术2 生物芯片3 能源4 环境5 碳纳米管6 纳米技术实用化的预测 图6 1胶体晶体法的自组装产物 1 信息磁记录材料特异性能 1 尺寸小 2 单磁畴 3 矫顽力很高优点 1 提高信噪比 2 改善图像质量 图6 2微电子 由从上到下到从下到上 图6 3传统光刻芯片与纳米软刻蚀技术的对比 科学家利用纳米电子学 已研制出了单电子晶体管 红 绿 蓝三基色可调谐的纳米发光二极管 利用纳米丝 纳米棒制成的纳米探测器等纳米器件 如日本的日立公司研制出了单电子晶体管 一个电子就是一个多功能的器件 日本的单电子研究覆盖了记忆 逻辑和基本特性 重点是制造单电子记忆器件 日本的研究人员已成功制造出能在室温下运行的单电子记忆器件 美国已研制出了由激光驱动只有4纳米大的纳米开关 美国威斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点 利用量子点可制成体积小 耗能少的单电子器件 在微电子和光电子领域将获得广泛地应用 2 纳米生物技术纳米技术与生物技术结合推动纳米生物技术的发展 如既能降低成本又能提高分析速度的微型分析技术 能在极短的时间内识别病菌或污染物 这一新技术已在许多方面得到了应用 半导体纳米晶的光学特性可用于标注并跟踪在生物细胞中的分子 图6 4半导体纳米晶用于生物标记 3 能源光化学电池光解水制氢纳米材料储氢 图6 5纳米材料用于能源技术 光催化可降解的部分污染性有机物物质名称降解结果物质名称降解结果一氯酚完全降解为无机物甲醇完全降解为CO2二氯酚完全降解为无机物甲苯完全降解五氯酚完全降解为无机物偶氮染料酸性橙完全降解为无机物氟代酚完全降解为无机物敌敌畏完全降解为无机物氯仿完全降解为无机物久效磷完全降解为无机物四氯化碳电子给予体参与下完全降解甲拌磷完全降解为无机物三氯乙烯氧存在时降解程度为99 4 对流鳞完全降解为无机物卤代烷烃完全降解为无机物马拉硫鳞完全降解为无机物卤代芳烃完全降解为无机物滴滴涕完全降解 图6 7碳纳米管形形色色的潜在应用 图6 7碳纳米管形形色色的潜在应用 6 纳米技术实用化的预测经过世界上众多科学家对纳米技术的探索 目前 研究人员已经不仅能在实验室操纵原子 有些纳米技术已在材料 微电子学 生物工程 医学等等领域得到了应用 如果要问 开发纳米技术到底需要多久 各国的科学家都曾经作过相关的预测 日本的研究人员认为 纳米技术的中期应用主要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件 设计新药 绿色 污染过滤 制造超敏感传感器等等 而长期应用应是 智能化 的模拟反应材料 构造采用 topdown 直到原子层次 纳米点和自组装的方法设计的 智能 材料 日本国家科技政策研究所选择了14个领域 对3000多个研究人员 日本和德国 采用Delphi调查法 得到了与纳米技术有关的问卷结果 表1 专家对纳米技术应用的预测 表2 与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术 表3 纳米技术的中长应用 美国商业通信公司在题为 纳米材料的机遇 的技术市场调查报告预测了美国从1996 2001年纳米材料的市场需求量 认为纳米材料的市场需求会迅速增长 纳米粒子所占比重较大 见表4 表4 纳米材料在美国的总需求量 七国际动态及国内主要研究成果 1 国际动态如果将纳米技术比作奥运项目美国 金牌欧洲 银牌日本 铜牌 图7 1纳米技术金牌榜 2 国内主要研究成果范守善等首次利用碳纳米管成功地制备出GaN一维纳米棒 并提出了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 张立德等应用溶胶 凝胶与碳热还原相结合的方法及纳米液滴外延等新技术 首次合成了准一维纳米丝和纳米电缆 钱逸泰等用 射线辐射法或水热法及两者的结合 成功地制备出各种纳米粉 用溶剂热合成技术首次在300 左右制得30nmGaN 解思深等利用化学气相法制备纯净碳纳米管 图7 2国内成果展示 图7 4 族半导体纳米材料的合成机理 族半导体纳米材料电镜与XRD图片 图7 5分子自组装合成一维纳米材料机制与产物 图7 6C纳米螺旋线 气 固相合成有序结构晶体 图7 7形形色色的氧化锌纳米晶体 图7 7形形色色的