纳米材料---ppt.ppt

1 纳米材料 2 一 纳米和纳米科技 二 纳米材料的概念和分类 三 纳米材料的性质及应用 3 纳米在哪里 早在中国古代 安徽出的墨 从烟道里扫出来后一遍遍地筛 研制出来的墨非常细非常均匀 饱满 写字非常好 这实际就是纳米颗粒 一 纳米和纳米科技 4 5 HumanHair 一纳米有多小 6 7 2 什么是纳米科技 1959年费曼在一次题为 在底部还有很大空间 ThereisPlentyofRoomattheBottom 著名的演讲中提出 如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子 将会产生什么样的奇迹呢 并预言 说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器 最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装 制造出最小的人工机器来 可以说这些都是纳米技术的最早的动意 梦想 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家 诺贝尔奖金获得者理查德 费曼 RichardPFeynman 8 纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初 1982年 宾尼希 C Binnig 和罗雷尔 H Rohrer 等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器 扫描隧道显微镜 scanningtunnelingmicroscopy STM STM不仅以极高的分辨率揭示出了 可见 的原子 分子微观世界 同时也为操纵原子 分子提供了有力工具 从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门 9 扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率 横向可达0 1纳米 纵向可优于0 01纳米 它主要用来描绘表面三维的原子结构图 在纳米尺度上研究物质的特性 还可以实现对表面的纳米加工 如直接操纵原子或分子 完成对表面的剥蚀 修饰以及直接书写等 STM头部 扫描隧道显微镜 10 基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描 它是用一个极细的探针 针尖头部为单个原子 去接近样品表面 当针尖和样品表面靠得很近 小于1纳米 时 针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠 此时若在针尖和样品之间加上一个偏压 电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级 10 9A 的隧道电流 隧道电流对距离非常敏感 保持针尖与样品表面间距的恒定 控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维 x y z 移动扫描时 由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化 而距离的变化引起了隧道电流的变化 控制和记录隧道电流的变化 并把信号送入计算机进行处理 就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像 扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定 扫描隧道显微镜的工作原理 11 12 1990年 纳米技术获得了重大突破 美国IBM公司阿尔马登研究中心 AlmadenResearchCenter 的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果 他们使用STM把35个氙原子移动到各自的位置 在镍金属表面组成了 IBM 三个字母 这三个字母加起来不到3纳米长 成为世界上最小的IBM商标 13 1991年IBM公司的 拼字 科研小组利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上 分子间距约0 5纳米的 分子人 这个 分子人 从头到脚只有5纳米 堪称世界上最小的人形图案 14 1993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原子写出 中国 两个字 标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 在室温下 用STM的针尖 并通过针尖与硅样品之间的相互作用 把硅晶体表面的原子拨出 从而在表面上形成 中国 的图形 15 16 目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是 在纳米尺度 1 100纳米 上研究物质 包括原子 分子的操纵 的特性和相互作用 以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术 纳米科技与众多学科密切相关 它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域 17 纳米科技包括三个研究领域 纳米材料 纳米器件 纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础 纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志 纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础 18 19 20 纳米这项新技术的诞生 其用途之广 涉及领域之多 前所未有 纳米技术是一门崭新的交叉学科 学科领域涵盖纳米物理学 纳米电子学 纳米化学 纳米材料学 纳米机械学 纳米生物学 纳米医学 纳米显微学 纳米计量学和纳米制造等 有着十分宽广的学科领域 二十一世纪 纳米技术将广泛应用于信息 医学和新材料领域 21 22 纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件 这种利用量子效应制作的器件不仅体积小 还具有高速 低耗和电路简化的特点 纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件 在单电子器件中 利用库仑阻塞效应 甚至能够对电子一个一个的加以控制 这有可能开发出单电子的数字电路或存储器 开发单电子晶体管 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能 使功耗降低到原来的1000 10000分之一 23 纳米存储器 存储密度可达每平方厘米10万亿字节 24 基于利用STM对分子 原子进行搬迁的事实 人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想 物体的表面有原子的位置为 1 没原子为 0 这不就可以表示二进制吗 这不就是存储器吗 一个分子存储器能够存储的信息 相当于100万张光盘的存储量 而一张同样大小的原子存储器的容量 将能够存入人类有史以来的全部知识 25 26 27 28 太空升降机由于碳纳米管的强度高 重量轻 如果把它做成 太空电梯 缆绳 使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离 它也完全可以经得住自身的重量 到那个时候 人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情 如果用它做成地球 月球乘人的电梯 人们在月球定居就很容易了 29 纳米壁挂电视用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走 纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性 同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光 用碳纳米管制成电子枪 可点亮新一代平面显示屏 30 纳米固体燃料实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧 发生爆炸 可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力 31 32 33 分子自组装 两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形 由于纳米尺寸非常之小 纳米机械必须具有自组装 自我复制等功能 由碳纳米管制作的纳米齿轮模型 纳米齿轮上的原子清晰可见 纳米齿轮 34 分子马达是由生物大分子构成 利用化学能进行机械做功的纳米系统 天然的分子马达 如 驱动蛋白 RNA聚合酶 肌球蛋白等 在生物体内参与了胞质运输 DNA复制 细胞分裂 肌肉收缩等一系列重要生命活动 以微管蛋白为轨道 沿微管的负极向正极运动 并由此完成各种细胞内外传质功能 ATP酶 分子马达 ATP酶 adenosinetriphosphatase 可催化ATP水解生成ADP及无机磷的反应 这一反应放出大量能量 以供生物体进行生命过程 35 纳米直升机 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达 研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备 纳米直升机 其中的生物分子组件将人体的生物 燃料 ATP转化为机械能量 使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈 利用这个能量它们可以在人的细胞内 飞翔 和 着陆 这种技术仍处于研制初期 它的控制和如何应用仍是未知数 将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务 36 美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用DNA 脱氧核糖核酸 制造出了一种纳米级的镊子 每条臂长只有7nm 利用DNA基本元件碱基的配对机制 可以用DNA为 燃料 控制这种镊子反复开合 利用它将可以制造出分子大小的电子电路 使未来的计算机体积更小 运算速度更快 匪夷所思的DNA镊子 如果有一种超微型镊子 能够钳起分子或原子并对它们随意组合 制造纳米机械就容易多了 37 用极微小部件组装一辆比米粒还小 能够运转的汽车 微型车床 可望钻进核电站管道系统检查裂缝 只有蜜蜂大小且能升空的直升机 眼睛几乎看不见的发动机 提供化工使用的火柴盒大小的反应器 驰骋未来战场上的纳米武器 如麻雀卫星 蚂蚁士兵 蚊子导弹 苍蝇飞机 间谍草等 纳米机械产品 38 39 麻雀卫星 质量不足10千克 各种部件全部用纳米材料制造 一枚小型火箭一次就可以发射数百颗 若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的 麻雀卫星 就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视 即使少数失灵 整个卫星网络的工作也不会受影响 40 纳米生物学 纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜 SPM 的发明和在生命科学中的应用分不开的 生命过程是已知的物理 化学过程中最复杂的过程 纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象 并以对分子的操纵和改性为目标的 41 生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念 如生物器件 它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能 这样一来 可以利用纳米加工技术 按照分子设计的方法合成 复制成各种用途的生命零件 利用生物零件可以组装具有生物智能 运算速度更快的生物计算机 具有特定功能的纳米生物机器人 生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等 42 右图为科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景 人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子 如果身体的某些部分缺氧 那部分就会感到疲劳 画中的蓝色小球 纳米人造细胞 称为呼吸者 它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能 而且本身装有纳米计算机 纳米泵 可以根据需要将氧释放 同时将无用的二氧化碳带走 43 由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动 对于象脑血栓 动脉硬化等病灶 它们可以非常容易的予以清理 而不用再进行危险的开颅 开胸手术 纳米仿生机器人可以为人体传送药物 进行细胞修复等工作 纳米生物机器人在疏通血管 44 用纳米材料制成的人工眼球 不仅可以象真的眼睛一样同步移动 也能通过电脉冲刺激大脑神经 看到精彩的世界 45 纳米生物导弹 专门对付癌症 这一针对癌症的超细纳米药物 能将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上 定向射向癌细胞 并把它们全歼 TreatingDisease Nanoparticleswoulddelivertreatmentstospecificallytargetedsites includingplacesthatstandarddrugsdonotreacheasily Forexample goldnanoparticles spheres thatweretargetedtotumorsmight whenhitbyinfraredlight heatupenoughtodestroythegrowths 46 纳米细胞修复器用于修复细胞内的各种病变 如线粒体 细胞核的病变 47 如果按维数 纳米材料的基本单元可以分为三类 1 零维 指在空间三维尺度均在纳米尺度 如纳米尺度颗粒 原子团簇等 2 一维 指在空间有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管 纳米带等 3 二维 指在三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 二 纳米材料的概念和分类 纳米材料是指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构成的材料 48 示意图 49 纳米材料大部分都是由人工制备的 属于人工材料 但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体 例如天体的陨石碎片 人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的 而浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所 由于这些单元往往具有量子性质 所以对零维 一维和二维的基本单元分别又有量子点 量子线和量子阱之称 50 Agnanosphereparticles 10nm 零维 CdSnanocrystals 3 8nm 51 零维 InSenanocrystals 7 5nm 52 一维 Diameter 57nmLength 400nm PbCrO4nanorods VO2nanorods Diameter 40 60nmLength 1 2um 53 一维 Ag2Senanowires Diameter 30 40nmLength 50um 54 一维 ZnOnanotubes Outerdiameter 80nmWallthickness 20nm 55 一维 CdSnanobelts Width severaltenstoseveralhundredsofnanometersThickness 60nm Length severaltenstoseveralhundredsofmicrometers someofthemevenhavelengthsontheorderofmillimeter 56 二维 Al2O3porousfilm Porousdiameter 70nm 57 二维 Co OH 2hexagonalnanoplatelets Co OH 2 Co OH 2 Width severalmicrometersThickness 15nm Note Theinsetsshowbottlesofthesuspensionsobtainedbydispersingtheplateletsinethanol 58 Cu3SnS4nanoshelltubes 由基本单元构成的纳米材料 Theindividualnanoshelltubeismadeupofsphericalnanoparticleswithdiameterof20 50nm 59 Fe2O3urchin likesuperstructure 由基本单元构成的纳米材料 TheseFe2O3nanorodsattachtogetherandassembleinto3Durchin likesuperstructureswithrod likecrystallitesradiatingfromthecenter Theindividualnanorodshaveameandiameterofabout80nm 60 PbS3Ddendriticnanostructure 由基本单元构成的纳米材料 ThelengthofthetrunkandthediameterofthebranchesofthePbSdendritesisabout2 4umand40 100nm respectively 61 PorousCuInS2microspheres 由基本单元构成的纳米材料 Themicrospheresarecomposedofnanosheetswithaveragethicknessof30nm Thesenanosheetsinterconnnectwitheachothertoformanentanglednetwork likearchitecturewithirregular shapedpore 62 按化学组成可分为 纳米金属 纳米非金属 纳米塑料 纳米陶瓷 纳米玻璃 纳米高分子和纳米复合材料等 按材料物性可分为 纳米半导体 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体 纳米超导材料 纳米热电材料等 按应用可分为 纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医用材料 纳米敏感材料 纳米储能材料等 63 三 纳米材料的性质及应用 1 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时 便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 银白色的铂 白金 变成铂黑 金属铬变成铬黑 铂黑能吸附大量的氢 氧等气体 在许多气体反应中可用作催化剂将铂黑镀在铂或金电极的表面上 常用作氢电极或其他气体电极 64 金属超微颗粒对光的反射率很低 通常可低于l 大约几微米的厚度就能完全消光 利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能 电能 还可能应用于红外敏感元件 红外隐身技术等 F 117A型隐身战斗机 1991年春的海湾战争 美国F 117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒 它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力 以欺骗雷达 达到隐形目的 成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击 65 2 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时 其熔点是固定的 超细微化后其熔点将显著降低 当颗粒小于10纳米量级时尤为显著 例如 金的常规熔点为1064 当颗粒尺寸减小到10纳米时 则降低27 2纳米尺寸时的熔点仅为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 66 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼 可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料 催化剂 例如 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l 重量比的超微铝或镍颗粒 每克燃料的燃烧热可增加l倍 67 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 3 特殊的磁学性质 68 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 通过电子显微镜的研究表明 在趋磁细菌体内通常含有直径约为20纳米的磁性氧化物颗粒 何为趋磁细菌 世纪 年代 美国微生物学家勃列依克摩尔在大西洋底发现了一种奇异的细菌 它们总是沿着地磁场的磁力线运动 一起行动时 自动排成一条条 生物磁力线 十分美观 它们决不会自乱阵脚 勃列依克摩尔就美其名曰 趋磁细菌 69 a 活的细菌体内完整的磁小体 它们为什么具有这种特殊的功能呢 经美 德 日等国科学家多年的研究 发现趋磁细菌的细胞中有一种 磁小体 每个磁小体都是一个被磷脂膜包覆的高纯度 纳米级 有独特结构的单磁畴小晶体 这些磁小体沿细胞的长轴排列成链状 使每个细菌都成了一个小小 指南针 彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来 b 获得的磁小体链 70 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 呈现出超顺磁性 超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸 如Fe3O4 30nm 后 在有外加磁场存在时 表现出较强的磁性 但当外磁场撤消时 无剩磁 不再表现出磁性 矫顽力是指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度 或抹去磁带上已记录的编码信息所需要的磁力 它是粒子形态和尺寸的函数 71 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 磁盘及磁卡中 72 磁性液体 magneticliquids 是一种液态的磁性材料 该材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性 它是由粒径为纳米尺寸 几个到几十个纳米 的磁性微粒 依靠表面活性剂的帮助 均匀分散 悬浮在载液 基液加表面活性剂 中 构成的一种固液两相的胶体混合物 这种材料即使在重力 离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离 是一种典型的纳米复合材料 利用超顺磁性 已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体 用于电声器件 阻尼器件 旋转密封 润滑 磁性传感器 选矿等领域 原理示意图 磁性液体受磁场作用 73 4 特殊的力学性质 由于纳米材料粒度非常微小 具有良好的表面效应 1克纳米材料的表面积达到几百平方米 因此 用纳米材料制成的产品其强度 柔韧度 延展性都十分优越 就象一种有千万对脚的毛毛虫 当它吸附在光滑的玻璃面上时 由于接触面积大 12级台风有也吹不掉它 74 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 陶瓷茶壶一摔就碎 然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料 竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性 75 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 76 研究表明纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3 5倍 对于金属 陶瓷复合纳米材料 其应用前景十分宽广 例如 钴 碳化钨纳米复合材料具有高硬 高强特征 可应用于集成电路板 微型钻头 点阵打印机打印针头 耐磨零部件 军用装备等方面 77 5 特殊的电学性质 由于纳米颗粒内的电子运动受到限制 电子能量被量子化了 结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电压时 金属颗粒导电 而电压不合适时金属颗粒不导电 原来是导体的铜等金属 在尺寸减少到几个纳米时就不导电了 而绝缘的二氧化硅等 电阻会大大下降 失去绝缘特性 变得能导电了 78 还有一种奇怪的现象 当纳米颗粒从外电路