浅谈纳米材料.ppt

复合0801董琴 浅谈纳米材料 提纲 纳米材料的定义 纳米材料的发展史 纳米效应及特点 纳米走进生活 纳米材料发展趋势 纳米材料的定义 如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述 我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围 目前人类能够研究的物质世界的最大尺度是1025m 约10亿光年 这是我们已观测到的宇宙大致范围 人类所研究的物质世界的最小尺度为10 19m 0 1阿米 纳米科技是指在纳米尺度 1nm到l00nm之间 上研究物质 包括原子 分子的操纵 的特性和相互作用 以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术 当物质小到1 100nm 10 9 10 7m 时 其量子效应 物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变 呈现出许多既不同于宏观物体 也不同于单个孤立原于的奇异现象 纳米科技的最终目标是直接以原子 分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理 化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品 纳米材料的发展史 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家 诺贝尔奖获得者理查德 费恩曼 1959年他在一次著名的讲演中提出 如果人类能够在原子 分子的尺度上来加工材料 制备装置 我们将有许多激动人心的新发现 他指出 我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质 那时 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题 1974年 Taniguchi最早使用纳米技术 nanotechnology 一词描述精细机械加工 20世纪70年代后期 麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究 但当时多数主流科学家对此持怀疑态度 纳米科技的迅速发展是在80年代末 90年代初 80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器 扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 等微观表征和操纵技术 它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用 与此同时 纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力 迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域 1990年7月 第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办 纳米技术 与 纳米生物学 这两种国际性专业期刊也相继问世 一门崭新的科学技术 纳米科技从此得到科技界的广泛关注 纳米材料发展的五阶段 据日本阿普莱德研究所提供的材料介绍 以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为 纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段 第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质 这需要使用计算机设计 制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置 这个阶段的市场规模约为5亿美元 第二个阶段是生产纳米结构物质 在这个阶段 纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平 其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料 其强度将达到无机单晶材料的3000倍 该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间 在第三个阶段 大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能 这要求有高级的计算机设计 制造系统 目标设计技术 计算机模拟技术和组装技术等 该阶段的市场规模可达100亿至1000亿美元 纳米计算机将在第四个阶段中得以实现 这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元 在第五阶段里 科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置 市场规模将高达6万亿美元 虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性 难以准确预测 但在2010年之前 纳米技术有可能发展到第三个阶段 超越 量子效应障碍 的技术将达到实用化水平 纳米材料的基本效应 纳米材料走进生活 据国外媒体报道 美国科研人员研发出一种微型纳米粒子 可以通过患者的血流进入肿瘤 然后释放出药物 关掉一种非常重要的癌症基因 我们给这种小粒子安装了化学感受器 一旦它意识到自己已经进入肿瘤细胞内 它会知道现在是分解并释放出RNA的时候了 据介绍 纳米机器人医生以纳米技术的微机电系统为核心 内置有摄像与信号传输等智能装置 外包无毒耐酸碱塑料 为一次性使用品 机器人医生不但具有检查方便 无创伤 无痛苦 无交叉感染 不影响患者的正常工作等特点 还能够完整地检查小肠 而这在此前是无法办到的 根据升级计划 机器人医生在未来三年内 要学会 当机器人医生发现可疑病变组织后 立即能伸出 手 来取样进行活检 同时 发现胃出血等病症后 可以长出 脚 来 像医生一样对病变部位进行修复和治疗 这一切都是在不知不觉中完成的 患者在接受 手术 期间可以照常上班和进行户外运动 适用的疾病不仅包括常见的消化道疾病 还包括食道癌 胃癌 肠癌的活检 你能想象一下这样的情景么 原本易被弄脏布艺沙发的表面变得就像荷叶一样油水不沾 果汁 牛奶 酱油 咖啡等污染液体再也不能被吸进面料里 相反在其表面形成一个个圆球 来回滚动 最后滑落到地上 这样的神奇性能都是因为一个神奇的东西 纳米 2000年12月 中科院副院长白春礼院士在中南海给中央领导做报告时 向朱镕基总理展示了一种神奇的 超双疏性界面材料 白春礼副院长演讲前将自已的白领带解下 倒上酱油 可乐 咖啡 牛奶 墨水等各色液体 两个钟头后 白院长将领带提起 所有污渍像倒在荷叶上的水珠一样顺势全部滑落 没有一点渗入领带 由此 一种率先由中国科学家提出的 二元协同纳米结构理论 正式诞生 这一刻标志着中国跨入了世界纳米科技先进国家的行列 纳米时代的帷幕逐渐拉开 纳米技术可应用的产品包括 服饰类 制服 休闲服 工作服 运动服 职业套装 童装 针织服装 衬衣 帽子 领带和丝巾等 纺织品 床上用品 家具用品 公用纺织品等 其他 鞋类 医疗用品 口罩 医用防护服 特种用品等 高科技 纳米功能织物整理技术服装织物西裤具有 防水防污 同时具有除菌防霉 防辐射防静电等效果 可保持织物永洁常新 纳米材料的发展趋势 1 加强控制工程的研究在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究 这包括颗粒尺寸 形状 表面 微结构的控制 由于纳米颗粒的小尺寸效应 表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用 它们对材料某一种性能的贡献大小 强弱往往很难区分 是有利的作用 还是不利的作用更难以判断 这不但给某一现象的解释带来困难 同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难 如何控制这些效应对纳米材料性能的影响 如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响 这都是控制工程研究亟待解决的问题 国际上近一两年来 纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面 一是纳米颗粒的表面改性 通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态 表面结构和粗糙度 二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态 连续分布还是孤立分布 来控制量子尺寸效应和渗流效应 三是通过设计纳米丝 管等的阵列体系 包括有序阵列和无序阵列 来获得所需要的特性 2 近年来引人注目的几具新动向 1 纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头 日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅 发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍 多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光 含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光 比多孔Si的最强红光还高出1倍多 250nm波长光激发出极强的蓝光 纳米材料的发展趋势 2 巨电导的发现 美国霍普金斯大学的科学家在SiO2一Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象 当金颗粒的体积百分比达到某临界值时 电导增加了14个数量级 纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后 电导增加8个数量级 3 颗粒膜巨磁电阻尚有潜力 1992年 纳米颗粒膜巨磁电阻发现以来 一直引起人们的关注 美国布朗大学的科学家最近在4K的温度下 几个特斯拉的磁场 R R上升到50 目前这一领域研究追求的目标是提高工作温度 降低磁场 如果在室温和零点几特斯拉磁场下 颗粒膜巨磁阻能达到10 那么就将接近适用的使用目标 目前国际上科学家们正在这一领域努力 4 纳米组装体系设计和制造有新