化学与社会第5章5-纳米材料课件-杨清香.ppt

纳米材料 主要内容 二 磁性纳米材料 一 纳米材料和纳米技术简介 三 碳纳米材料 四 简单介绍纳米材料在各领域中的应用 什么是纳米 纳米是一个长度计量单位 1纳米 10 9米 一 纳米材料和纳米技术简介 千米米厘米毫米微米纳米103110 210 310 610 910倍左右原子大小 万分之一头发粗细 几十微米 Howsmallis1nanometer 头发 生活中的纳米 墨 文房四宝 笔 墨 纸 砚 碳纳米微粒溶于水形成 纳米烟灰 生活中的纳米 烟灰 横行霸 道 的螃蟹 据生物科学家研究 螃蟹的祖先并不是横向运动的 而是向其他生物一样前后运动 原来亿万年前的螃蟹的第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米颗粒 就行是几只小指南针 靠着这种指南针螃蟹他们也是堂堂正正的前进或后退 后来 由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转 使螃蟹体内的小磁粒子失去了原来的定向作用 从而失去了前后行动的功能变成现在的横行霸道了 具有导向 罗盘 的蜜蜂 人们一直以为蜜蜂是利用北极星或者通过摇摆舞来向同伴传递信息来判别方向 后来英国科学家发现 在蜜蜂的腹部有磁性纳米颗粒 相当于指南针的功效 蜜蜂就是利用这种 罗盘 来确定判明方向的 生物体内的纳米 蛋白质 血红蛋白 纳米尺寸 6 4nm 5 5nm 5 0nm 红细胞 200 300nm 病毒的尺寸一般在10 300nm范围 生物体内的纳米 病毒 口蹄疫病毒 10nm SARS病毒 30nm 什么是纳米材料 定义 指的是在三维尺度上至少在某一维方向上尺寸在1 100nm范围的材料 x y z nm 100 100 100 衡量纳米材料的两把尺子 颗粒粒径是否介于1个纳米到100个纳米之间的 均匀度怎么样 是否具有纳米材料所具有的特异性能 如比表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等 这些效应使纳米体系的光 电 热 磁等物理性质与常规材料不同 从而出现许多新奇特性 例如 铜是电的良导体 而纳米铜则是电的绝缘体 硅是半导体 而纳米硅则是良导体 陶瓷易碎 而纳米陶瓷既刚又韧 可以用来制作发动机零件 而纳米纤维既不沾水又不沾油 什么是纳米技术 定义 能操作细小到0 1 100nm物件的一类新发展的高技术 生物芯片和生物传感器等都可归于纳米技术范畴 是用单个原子 分子制造物质的科学技术 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础 它是现代科学 混沌物理 量子力学 介观物理 分子生物学 和现代技术 计算机技术 微电子和扫描隧道显微镜技术 核分析技术 结合的产物 纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术 如 纳米物理学 纳米生物学 纳米化学 纳米电子学 纳米加工技术和纳米计量学等 纳米科技的发展历程 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设想 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 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 1986年两人同时获诺贝尔奖 纳米科技的发展 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 STM 扫描隧道显微镜 STM 的出现 标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域 作为纳米科技重要研究手段的STM也被形象地称为纳米科技的 眼 和 手 所谓 眼睛 即可利用STM直接观察原子 分子以及纳米粒子的相互作用与特性 所谓 手 是指STM可用于移动原子 构造纳米结构 同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象 提出新理论的微小实验室 扫描隧道显微镜的特点 扫描隧道显微镜工作原理 利用电子在原子间的量子隧穿效应 扫描隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流 金属体内存在大量 自由 电子 这些 自由 电子在金属体内的能量分布集中于费米 10 15 能级附近 而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒 因此 从经典物理学来看 在金属内的 自由 电子 只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部 但根据量子力学原理 金属中的自由电子还具有波动性 这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时 会有一部分透射 也就是说 会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒 形成金属表面上的 电子云 这种效应称为隧道效应 扫描隧道显微镜工作原理 当两种金属靠得很近时 几纳米以下 两种金属的电子云将互相渗透 当加上适当的电压时 即使两种金属并未真正接触 也会有电流由一种金属流向另一种金属 这种电流称为隧道电流 隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感 隧道间隙即使只发生0 01nm的变化 也能引起隧道电流的显著变化 如果用一根很尖的探针 如钨针 在距离该光滑样品表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在x y方向扫描 由于每个原子有一定大小 因而在扫描过程中隧道间隙就会随x y的不同而不同 流过探针的隧道电流也不同 即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来 利用一台与扫描探针同步的记录仪 将隧道电流的变化记录下来 即可得到分辨本领为百分之几纳米的STM图像 扫描隧道显微镜工作原理 STM扫描得到的高度有序石墨稀原子图象 用STM描绘样品表面三维的原子结构 石墨稀的结构 STM IBM商标 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 这是第一次公开证实在原子水平有可能以单个原子精确生产物质 美国IBM公司的两位科学家发现 在用STM观察金属表面的氙原子时 探针作怎样的移动 靠近探针的氙原子也作同样的移动 STM IBM商标 移动原子 STM 分子人 1991年IBM公司的 拼字 科研小组利用STM把一氧化碳 CO 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 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 STM 中国 纳米科技的前景 研究纳米技术在生命医学上的应用 可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系 获取生命信息 科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人 在血液中循环 对身体各部位进行检测 诊断 并实施特殊治疗 纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景 比如 在信息技术领域 据估计 再有10年左右的时间 现在普遍使用的数据处理和存储技术将达到最终极限 为获得更强大的信息处理能力 人们正在开发DNA计算机和量子计算机 而制造这两种计算机都需要有控制单个分子和原子的技术能力 纳米科技 纳米机器人 艺术家描绘出的纳米机器人在操控红细胞 纳米结构的表征手段 纳米结构的是这么这么的小 我们到底如何去观察和判断其结构呢 透射电子显微镜 TEM 扫描电子显微镜 SEM 原子力显微镜 AFM 扫描隧道显微镜 STM 两者工作原理相似 透射电子显微镜 TEM 扫描电子显微镜 SEM http www vcbio science ru nl en fesem info principe TEM和SEM的工作原理 纳米银TEM图片 不同方法制备得到的纳米银SEM图片 纳米材料分类 纳米材料 零维材料 颗粒 一维材料 纤维 二维材料 薄膜 三维材料 块体 按形貌分类 纳米颗粒 也称纳米粉末 一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒 是一种介于原子 分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料 纳米纤维 指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料 纳米薄膜 纳米膜分为颗粒膜与致密膜 颗粒膜是纳米颗粒粘在一起 中间有极为细小的间隙的薄膜 致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜 纳米块体 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料 纳米材料分类 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 纳米材料分类 宏观的思维方式 打碎通过机械的方式进行切削 研磨 将宏观的块体材料打碎 使颗粒变小 物理粉碎法 高能球磨法 庄子的办法 一尺之棰 日取其半 万世不竭 庄子天下篇 纳米材料制备方法 16 7cm 0 13cm 8 35cm 第1天 第8天 第2天 33 3cm 78 7nm 第22天 一尺之棰 纳米材料制备方法 一尺之棰 日取其半 万世不竭 庄子天下篇 纳米材料制备方法 2 微观的思维方式 阻止长大通过一些化学或者物理的方法 从分子或者原子级别进行控制 到达纳米级后阻止其进一步长大 物理法 化学法 纳米材料制备方法 物理法 气体冷凝法 氢电弧等离子体法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法化学法 气相法 气相分解法 气相合成法 气 固反应法液相法 沉淀法 水热法 微乳液法 溶胶 凝胶法 冷冻干燥法 喷雾热解法固相法 热分解法 固相反应法 纳米材料特有的性质 纳米材料的四大效应 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 纳米材料特有的性质 由于粒径很小 表面原子数增多 原子配位不足及高的表面能 使这些表面原子具有高的活性 极不稳定 很容易与其他原子结合 金属的纳米粒子在空气中会燃烧 无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体 并与气体进行反应 利用表面活性 金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料 1 表面效应 粒子的大小与表面原子数的关系 纳米材料特有的性质 粒径 nm 100 80 60 40 20 0 比例 表面原子数相对总原子数 0102030 4050 纳米材料特有的性质 A原子由于受到的束缚少 所以极不稳定 很容易跑到附近的空位上 表面原子一旦遇到其它原子就会很快与其结合 使其稳定化 这就是活性的原因 纳米材料特有的性质 纳米材料特有的性质 随着颗粒尺寸的量变 在一定条件下会引起颗粒性质的质变 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 对超微颗粒而言 尺寸变小 同时其比表面积亦显著增加 从而产生如下一系列新奇的性质 2 小尺寸效应 纳米材料特有的性质 3 量子尺寸效应 当微粒纳米尺寸降到某一值时 金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象 当能级间距大于热能 磁能 电能或超导态的凝聚能时 纳米微粒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 纳米材料特有的性质 纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应 宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应 4 宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应 当微观粒子的总能量小于势垒高度时 该粒子仍能穿越这一势垒 宏观量子隧道效应 纳米材料特有的性质 力学性质电学性质光学性质热学性质磁学性质化学性质 如 熔点显著降低 如 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 很易打碎 由纳米微粒压制成的陶瓷材料却具有良好的韧性 打不碎了 如 纳米相Fe的晶粒尺寸由100nm减少到6nm时 硬度增加4 5倍 力学性质 纳米材料特有的性质 纳米材料特有的性质 光学性质 大块金属具有不同颜色的金属光泽 表明它们对可见光范围各种颜色 波长 的光的反射和吸收能力不同 而当尺寸减小到纳米级时 各种金属纳米微粒几乎都呈黑色 它们对可见光的反射率极低 而吸收率相当高 例如 Pt纳米粒子的反射率为1 Au纳米粒子的反射率小于10 这种对可见光低反射率 强吸收率导致粒子变黑 纳米材料特有的性质 纳米级粉末 黑色 黄色的金 白色的银 灰黑色的铁 光学性质 纳米材料特有的性质 化学性质 比表面积大界面原子数多界面区原子扩散系数高表面原子配位不饱和 纳米材料具有较高的化学活性 纳米粒子的催化作用等等 二 磁性纳米材料 thegeomagneticfield 地磁场 地球北极 地球北极 地球南极 地球南极 磁性纳米材料 磁性材料与信息化 自动化 机电一体化 国防 国民经济的方方面面紧密相关 而通常认为 磁性材料是指由过度元素铁 钴 镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质 中国古代指南针 司南 蹄型磁铁 条形磁铁和铁屑 条形磁铁的磁力线 磁性纳米材料 磁性纳米材料与常规磁性材料的区别在哪呢 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料 其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级 例如 磁单畴尺寸 超顺磁性临界尺寸 交换作用长度 以及电子平均自由路程等大致处于1 100nm量级 当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时 就会呈现反常的磁学性质 磁性纳米粒子的超顺磁性 超顺磁性 铁磁性 生物体内的纳米磁性粒子 许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子 如磁性细菌 鸽子 海豚 石鳖 蜜蜂 螃蟹 人的大脑等 1975年即发现向磁性细菌 体内有一排磁性纳米粒子 蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒 G代表磁性颗粒 向磁性细菌 人类大脑中平均含有20微克 约500万粒 的磁性纳米粒子 人类大脑 磁性纳米颗粒的分类 磁性颗粒有三种类型 1 20世纪60年代出现的第一代铁氧体颗粒主要有 Fe2O3 MeFe2O4 Me Co Ni Mn 和Fe3O4颗粒等 2 80年代出现的金属型颗粒主要有Fe Co Ni及其合金颗粒 3 90年代出现的氮化铁颗粒 Fe N化合物主要有FeN Fe2N Fe3N Fe16N2等 各种形貌的磁性纳米颗粒 Fe3O4磁性纳米粒子 单分散Fe3O4纳米粒子的透射电子显微镜 TEM 照片 Fe3O4磁性纳米粒子 在Fe3O4里 铁显两种价态 一个亚铁离子显 2价 两个铁离子显 3价 所以说四氧化三铁可看成是由FeO与Fe2O3组成的化合物 可表示为FeO Fe2O3 而不能说是FeO与Fe2O3组成的混合物 它属于纯净物 多功能磁性纳米粒子 磁性纳米粒子在医疗上的应用 良好的生物相容性 低毒性 纳米粒子的尺寸要适当 良好的稳定性 磁性纳米粒子在医疗上的应用 纳米粒子通过呼吸道被吸入肺部 然后再通过一块蹄型磁铁富集在某一特定区域 红色标记 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 稳定作用 载药 荧光 识别作用 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 药物运输体系thedrugdeliverysystem 核磁造影诊断治疗magneticresonanceimaging 诊断 治疗 巨噬细胞 上面有与调理素匹配的受体 调理素 存在于血浆和其他体液中 易与颗粒结合 从而易被吞噬细胞吞噬 内皮细胞 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 PEG 聚乙二醇 PEG修饰的磁性纳米粒子 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 蹄型磁铁 肿瘤 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 磁性纳米粒子 200nm时 很容易被人体的免疫系统识别 从血液中移除转移到肝脏及脾 非常小的磁性纳米粒子 5 5nm时 会通过肾脏排出体外 尺寸在10 100nm的磁性纳米粒子在血液循环中能停留最长时间 从而使得其更易于到达肿瘤部位 磁性纳米粒子进行肿瘤治疗 磁分离 DNA分离 纳米磁性粒子磁分离DNA步骤示意图 1 纳米磁性粒子加入到含有多种物质的混合液中 2 磁性纳米粒子上修饰上的官能团与DNA分子相结合 3 外加磁场作用下 分离出结合了DNA的磁性纳米粒子 磁分离 DNA分离 核酸的高电荷磷酸骨架使其比蛋白质 多糖 脂肪等其他生物大分子物质更具亲水性 通过在磁性纳米粒子上修饰上反电荷的基团 即正电荷的基团 可以有效的吸附上DNA 进行磁分离 DNA的双螺旋结构 碱基对 磷酸骨架 磁分离 DNA分离 纳米磁性粒子磁分离DNA示意图 磁分离 细胞分离 纳米磁性粒子磁识别和分离细胞步骤示意图 1 纳米磁性粒子加入到含细胞的溶液中 2 磁性纳米粒子上修饰上的识别基团与细胞相结合 3 外加磁场作用下 分离出结合了细胞的磁性纳米粒子 磁分离 纳米磁性粒子磁识别和分离蛋白质步骤示意图 磁分离 蛋白质的结构 氨基酸结构式R取代基不同对应不同的氨基酸 蛋白质的结构 蛋白质的初级结构 初级结构 二级结构 三级结构 四级结构 磁分离 蛋白质的结构 21种氨基酸 磁分离 纳米磁性粒子是怎么样结蛋白质进行分离的 I 6个组氨酸标记的蛋白质 II 其他的蛋白质 III 细胞碎片 IV 其他的杂种 组氨酸 His 磁流体 magnitcfluid 磁流体也称为铁磁流体或磁液 它是将掺入到载液 水 油类 酯类 醚类等液体 中的铁磁性微粒 10nm 用分散剂均匀地分散 使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体 磁流体在静态时无磁性吸引力 当外加磁场作用时 才表现出磁性 磁流体 磁流体兼有金属特有的强磁性和液体所特有的流动性 并且适当的选择溶媒或者添加第三种成分 还可以使它具有各种不同的特性 磁流体自上世纪研发出至今 已应用于很多领域 例如 密封 冷却 润滑 医学 发动机 计量阀 生物学 精密研磨 矿物分离 磁制冷 磁发电等 磁流体 磁流体会随着外界磁场的变化而产生不同的形状 磁流体密封技术 当磁性流体注入具有磁场的间隙中时 它可以充满整个间隙 成为一种液体 O型密封圈 集聚的磁性液体粒子不仅可起到密封 润滑等作用 又可相对运动自由 因而在真空 环保等方面应用广泛 磁流体密封是一种非接触式密封技术 它可以封气 封水 封油 封尘 封烟雾等 是防止污染物通过的有效屏障 磁流体密封是通过设置单个或多个永久磁铁和铁磁性极靴 绕高渗透旋转轴形成强磁场 在旋转轴和永久磁铁的夹缝中加入磁流体 由于磁场吸引力的作用 磁流体绕轴形成 O 型环 把空隙完全堵住 阻止被密封介质从空隙通过 磁流体密封技术 宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一 磁流体 磁流体密封技术 磁流体应用于密封装置的特性 其装置可长期使用10年无需维修 磁性流体包围整个转轴 成为一隔绝空气 水气 烟雾等元素的密封圈 几乎无泄漏的特性 密封圈的泄漏微弱到已无法测量 密封圈由永磁结构和稳定的磁性流体组成 所以机械磨损仅发生在轴承上 因为密封圈无磨损 没有微粒产生 降低了整个系统的污染 而且低的气压可使密封圈便于维修 其真空度可控制在10 8Torr 力矩可100 的输送 保证一个无阻碍的单向运行 磁性流体极低的粘滞阻力和磁性流体进行给装置无需接触密封圈的结构 决定了它的稳定操作和高速转动 磁流体在光学器件上的应用 磁流体在磁场的作用下形成丰富的微观结构 这些微观结构对光产生不同的影响 能在很大的程度上改变光的透射率和折射率 产生大的法拉第旋转 磁二向色散性 克尔效应等 磁流体的这种在磁场中的特性可以用在磁光开关 磁光隔离器 磁光调制器 粗波分复用器等 国外磁性液体已商品化 美 日 英等国均有磁性液体公司 供应各种用途的磁性液体及其器件 磁性液体的用途十分广泛 磁光开关 磁流体发电 磁流体除了与开发和利用核聚变能有关外 还与磁流体发电密切联系 磁流体发电的原理是用等离子体取代发电机转子 省去转动部件 这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15 20 甚至更高 既可节省能源 又能减轻污染 磁流体发电技术 就是用燃料 石油 天然气 燃煤 核能等 直接加热成易于电离的气体 使之在2000 的高温下电离成导电的离子流 然后让其在磁场中高速流动时 切割磁力线 产生感应电动势 即由热能直接转换成电流 由于无需经过机械转换环节 所以称之为 直接发电 其燃料利用率得到显著提高 这种技术也称为 等离子体发电技术 磁流体发电 磁流体发电 磁流体力学 研究导电流体在磁场中的运动规律的一门学科 磁性液体 磁流体推进器 一旦现代潜艇使用了这种推进器 便从根本上消除了因机械转动而产生的振动 噪音以及功率限制 而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行 据理论计算其航速可达150节 277 5公里 小时 而这是任何机械转动类推进器不可能实现的 磁流体推进器 1992年 世界上第一艘超导磁流体推进船 大和1号 日本 我国的新概念核潜艇 磁流体推进器 中国洛神号超导磁流体潜艇试车 磁流体推进器 左手法则 确定载流导线在外磁场中受力方向的定则 左手平展 大拇指与其余4指垂直 若磁力线垂直进入手心 4指为电流方向 大拇指为载流导线在外磁场中受力方向 在船体后面产生一个向后推水的力 而水对船体的反作用力就会推动船前进 航行方向 水受力方向 船体受力方向 磁性液体 三 碳纳米材料 碳元素地球上丰度第14位 90 以CaCO3存在 碳是一种地球生物圈中的重要化学元素 自然界碳循环的基本过程如下 大气中的二氧化碳 CO2 被陆地和海洋中的植物吸收 然后通过生物或地质过程以及人类活动 又以二氧化碳的形式返回大气中 一个生物圈碳循环的简单示例 现在发现的碳的单质有金刚石 石墨 C60 碳纳米管 石墨烯等 它们均是碳的同素异形体 碳的单质 石墨 石墨是元素碳的一种同素异形体 每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子 排列方式呈蜂巢式的多个六边形 每层间有微弱的范德华引力 由于每个碳原子均会放出一个电子 那些电子能够自由移动 因此石墨属于导电体 石墨是其中一种最软的矿物 由于石墨的叠层结构易剥落 可于纸上书写 金刚石俗称 金刚钻 也就是我们常说的钻石 它是一种由纯碳组成的矿物 金刚石是自然界中最坚硬的物质 如果你爱她 就送她钻石 如果你恨他 就把他的骨灰变成钻石 碳的单质 金刚石 碳原子 金刚石的晶体结构模型 键长与键角 金刚石的晶体结构 含有钻石的原岩 在高温 极高气压及还原环境 通常来说是一种缺氧的环境 中结晶为珍贵的钻石 科学家们经过对来自世界不同矿山钻石及其中原生包裹体矿物的研究发现 钻石的形成条件一般为压力在4 5 6 0Gpa 相当于150 200km的深度 温度为1100 1500摄氏度 虽然理论上说 钻石可形成于地球历史的各个时期 阶段 而目前所开采的矿山中 大部分钻石主要形成于33亿年前以及12 17亿年这两个时期 如南非的一些钻石年龄为45亿左右 表明这些钻石在地球诞生后不久便已开始在地球深部结晶 钻石是世界上最古老的宝石 金刚石 钻石 的形成 1906年诺贝尔化学奖得主 莫瓦桑先试验制取氟碳化合物 再除去氟制取金刚石 没有成功 后来他设想利用他的高温电炉 把铁化成铁水 再把碳投入熔融的铁水中 然后把渗有碳的熔融铁倒人冷水中 借助铁的急剧冷却收缩时所产生的压力 迫使内中的碳原子能有序地排列成正四面体的大晶体 最后用稀酸溶去铁 就可拿到金刚石晶体 这个设想在当时看来 既科学又美妙 促使他和他的助手一次又一次的按这个构想方案做试验 1893年2月6日 他终于看到了他梦寐以求的 希望之星 当他和助手用酸溶去铁后 在石墨残留物中 竟有口颗0 7mm的晶体闪闪发光 经检测这颗晶体真是金刚石 人们象赞誉世界上前5名钻石一样 也把这颗金刚石誉为 摄政王 人造金刚石成功了 欣喜若狂的莫瓦桑一再向报界宣传他的重大科研成果 这使本来因研制氟和高温电炉而著名的莫瓦桑 更加名噪一时 金刚石 钻石 的人工合成 为什么钻石会如此昂贵 1 钻石固有的内在魅力品质作为宝石 必须具备美丽 耐久和稀少这三大要素 钻石是唯一一种集最高硬度 强折射率和高色散于一体的宝石品种 任何其它宝石品种都是不可比拟的 这样的宝中之宝 稀中之罕 理所应当地成为贵中之最了 2 钻石文化源远流长自古以来 钻石一直被人类视为权力 威严 地位和富贵的象征 其坚不可摧 攻无不克 坚贞永恒和坚毅阳刚的品质 是人类永远追求的目标 它具有潜在的 巨大的文化价值 3 钻石矿床探寻艰难 耗资巨大钻石矿床的寻找 并不像传说中的那样 不小心摔一交就能发现一个钻石矿床 钻石矿床的探寻往往要花上几十年 甚至上百年的努力和劳动 耗资巨大 如原苏联西伯利亚原生金刚石矿床的探寻 从1913年开始 历经了18年的艰辛 才得以发现 博茨瓦纳的 欧拉 原生矿床 耗资3200万美元 历经12年的奋斗才挖掘出来 近几年 在加拿大西北部发现的金刚石原生矿床 则是经历了几代地质学家的艰苦努力 耗资至少达几亿美元才找到的 为什么钻石会如此昂贵 4 金刚石矿床数量少 宝石级金刚石矿床品位低世界金刚石矿床的数量 如果与铁 铜和金矿数量相比的话 可以说是少得可怜 屈指可数 在开采出的金刚石中 平均只有20 达到宝石级 而其余80 只能用于工业 但这20 宝石级金刚石的价值却相当于80 工业金刚石的5倍之多 世界金刚石年产量约为10000万克拉 宝石级约为1500万克拉 而加工成钻石的约为400万克拉 相当于800千克 有人粗略统计发现 要得到1克拉 0 2克 已打磨好的钻石 需要挖掘约250吨矿石 5 开采的规模浩大 难度极高钻石矿床的开采 可以说是一件规模巨大 却又细心备至的工作 开采过程中 既需充分开采含有钻石的矿石 又要谨小慎微 以确保矿石中钻石原石颗粒完好无损 开采不当会导致经济的巨大损失 不论是露天开采 还是地下挖掘 都是一项声势和场面浩大的工程 人力物力的投入是难以想象的 为什么钻石会如此昂贵 6 钻石加工程序复杂 工时量大对开采出的矿石经精心破碎和分选后 并不像其它金属矿床一样 即可投入大批量的冶炼 而是要对每一粒钻石毛坯进行逐粒精心细致的分析 才能确定下切磨方案 以确保其重量 净度和款式 这往往需要对钻石本身物理光学性质有充分了解 经验相当丰富的人员来进行 一般步骤是 设计标线 劈钻 锯钻 车钻 磨钻 清洗分级 而这每一步骤中还包括了许许多多的小程序 每一小步都需要精湛的工艺技术和丰富的经验 就拿世界之最的库利南钻石来说 原石重3106克拉 三个经验丰富 技艺超群的工匠 每天工作14小时 共耗时8个月 才将它分割成4颗大钻和101颗小钻 有些世界著名钻石的加工 往往仅设计都要花费几个月 甚至1 2年的时间 为什么钻石会如此昂贵 7 到消费者手中 一颗钻石的经历繁多据有人初步统计 一颗钻石 从它的开采 分选 加工 分级 销售 到最后卖到购买者手中 约涉及200多万人 一枚钻戒是天然造物主和200多万人心血的结晶 钻石的无比珍贵也就是在其中 为什么钻石会如此昂贵 纳米金刚石 纳米金刚石的合成 纳米金刚石 化学气相沉积法 CVD 物质条件为CH4 爆炸法物质条件 TNT和RDX 爆炸法制备纳米金刚石 2 5H2O 1 5N2 3 5CO 3 5C 9 3克 2 5H2O 1 5N2 1 75CO2 5 25C 13 9克 50克 3H2O 3N2 3CO TNT炸药 RDX炸药 全部转换为金刚石产率14 这个反应单独使用不能生产金刚石 1675年 英国物理学家伊萨克 牛顿 IsaacNewton 1642 1727 比较了光在金刚石中和在某些可燃液体中的折射 得出的结论是 金刚石必定是可燃的 金刚石的可燃性 英国物理学家 化学家罗伯特 波义耳 RobertBoyle 1628 1691 通过金刚石在火焰中会变化的事实 验证了牛顿的结论 罗伯特 波义耳 RobertBoyle 1628 1691 金刚石的可燃性 1772年 法国化学家AntoineLavoisier研究了燃烧金刚石所得的产物 发现该产物会使石灰水变混浊 从而证明了金刚石燃烧有CO2生成 并确认金刚石是由单质元素 碳组成 金刚石的可燃性 纳米金刚石的荧光性质 http nano materials drexel edu research projects nanodiamond 用十八胺分子修饰的纳米金刚石具有与天然的钻石类似的明亮的蓝色荧光 十八胺 纳米金刚石 天然金刚石 发蓝色荧光的纳米金刚石悬浮液 纳米金刚石的应用 生物医学 高分子复合材料 微剖光技术 电镀技术 润滑油添加剂 催化 纳米金刚石是一种具有大量金刚石结构C C键的碳氢聚合物 具有亲油性质 具有优秀的生物相溶性 尤其是血液相溶性 资料报道 与其他材料相比 类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低 对白蛋白的吸附增强 血管内膜增生减少 因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值 纳米金刚石在生物医药上的应用 纳米金刚石在生物医药上的应用 化疗面临的主要问题是 肿瘤细胞自身有把药物排出细胞的功能 但当药物连接在纳米粒子上时 肿瘤细胞抵抗药物的时间就会大大加长 纳米金刚石 是碳元素 无毒性 对免疫系统不对其产生排斥作用 纳米金刚石很容易与很多分子相结合被送到肿瘤部位由于纳米金刚石只有2 8nm的尺度 在其阻塞血管之前很容易被人体的肾脏排斥体外 修饰上了了不同功能分子的纳米金刚石负载药物 纳米金刚石在生物医药上的应用 碳纳米 石墨烯 graphite 石墨烯是从石墨材料中剥离出来的由碳原子组成的二维晶体 它只有一层碳原子的厚度 是目前世界上最薄的材料 英国曼彻斯特大学的教授安德烈 海姆和同事康斯坦丁 诺沃肖洛夫于2004年最早制作出石墨烯 并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖 石墨 碳纳米 石墨烯的特点及应用前景 因石墨烯的高强度高韧性 它可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料以及超坚韧的防弹衣 虽然它很结实 但是柔韧性跟塑料包装一样好 可以随意弯曲 折叠或者像卷轴一样卷起来 石墨烯这是一种二维晶体 厚度只有一个原子的直径 传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍 有望用于替代硅 成为新一代电子器件的主题材料 石墨烯是已知的最为坚固的材料 比钻石还硬 它有望用于梦幻般的 太空电梯 的缆线 目前 太空电梯 的最大难点之一在于如何制造出可以从地面延伸到空间站长达23000公里而不因重力折断的材料 而石墨烯的出现为解决这一难题带来契机 电脑上使用的石墨烯触摸屏 碳纳米 石墨烯的应用 触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成 没有接触的情况下 两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触 当外界压力存在的时候 PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变 这样上下两层石墨烯就发生接触 电路联通 接触的位置不同 器件边缘电极收集到的电信号也不一样 通过对电信号的分析 就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触 富勒烯 fullerene 1967年 建筑学家理查德 巴克明斯特 富勒设计的加拿大蒙特利尔的世界博览会美国馆的球形圆顶薄壳建筑 富勒烯 fullerene C60和碳纳米管均属于富勒烯家族 RichardBuckminsterFuller c 1917 富勒烯 fullerene C60 C60分子是一种由60个碳原子构成的分子 它形似足球 因此又名足球烯 由于这个结构的提出是受到建筑学家富勒 BuckminsterFuller 的启发 故也叫做富勒烯 它具有60个顶点和32个面 其中12个为正五边形 20个为正六边形 C60具有金属光泽 有许多优异性能 如超导 强磁性 耐高压 抗化学腐蚀 在光 电 磁等领域有潜在的应用前景 足球 C60 H W Kroto 克罗托 1985年发现 0 721nm C60的晶体及晶体结构 C60溶液 紫红色 C60晶体 C60 有序长大 有序堆积 原子堆积图 球棍图 用F原子修饰的C60 C60F18 用F原子修饰的C60 C60F20 原子堆积图 球棍图 C60F15 C6H5 3 原子堆积图 球棍图 C70 CH3 8 原子堆积图 球棍图 富勒烯 碳纳米管 Nanotube 形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛 Iijima 在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时 意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子 富勒烯 碳纳米管 Nanotube 多层碳纳米管 力学性能 碳纳米管的硬度与金刚石相当 却拥有良好的柔韧性 可以拉伸 被称 超级纤维 热学性质 碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的 导电性能 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同 所以具有很好的电学性能 当CNTs的管径大于6nm时 导电性能下降 当管径小于6nm时 CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线 传热性能 碳纳米管具有良好的传热性能 只沿一维方向传递热能 碳纳米管依靠超声波传递热能 其传递速度可达每秒1万米 碳纳米管的性质 碳纳米管的应用 抗菌剂 多肽纳米管作为抗菌剂 可在细菌细胞膜上穿孔 导致细菌死亡 碳纳米管的应用 人造肌肉 这种人造肌肉纤维由 成捆 的碳纳米管组成 在电流的刺激下即可在水平方向上快速伸缩 而在垂直方向上 它却极为坚韧 它在单位面积上能够产生的拉力是人体肌肉的30倍 伸缩速度也要快得多 人体肌肉纤维每秒钟可收缩10 而这种人造肌肉则可收缩40000 当被大幅度拉伸之后 它甚至轻的可以在空气中漂浮起来 在航天事业中 利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳 不仅可以为卫星供电 还可以耐受很高的温度而不会烧毁 碳纳米管应用 人造卫星的拖绳 碳纳米管应用 纳米秤 令人惊奇的是 美国 中国 法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时 发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化 从而发明了能称量一亿分之二百克的单个病毒的 纳米秤 这种世界上最小的秤 为科学家区分病毒种类 发现新病毒作出了贡献 碳纳米管的应用 蜘蛛衣 壁虎 蜘蛛的脚上长满了细小的刚毛 能敏锐地寻找到各种固体表面的细微凹凸并吸附在上面 碳纳米管的内部中空 由于非常微小 它具有像壁虎刚毛一样的吸附效果 外部直径只有几到几十纳米 相当于头发丝的1 10万 因此一片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管 由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍 把一双用这种材料制成 手掌面积为200平方厘米的高粘力手套粘在屋顶上 可以同时吊起14个重量为83公斤的壮汉 当然 要移动也很简单 只要沿着表面稍微上下左右挪动一下 粘结处就会一点点断开 这种高科技材料在科学方面有非常有趣的应用 像在太空中 舱外作业的宇航员就可以穿上这种具有吸盘粘附功能的衣服 世界第一套 蜘蛛衣 有望在2017年前问世 碳纳米管的应用 蜘蛛衣 碳纳米管的应用 防弹衣 纳米碳管既轻又强度极高 是钢的10 100倍 用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样 既可折来叠去 又能抵御强大的子弹的冲击力 碳纳米管的应用 世界最黑物质 世界上最黑的物质一直以来是一种镍磷合金 美国科学家宣布他们已经刷新记录 制造出了地球上最黑的物质 比镍磷合金还要黑上三倍 能够吸收99 9 的光线 美国标准与技术研究院将一种碳物质作为现行的黑色标准 但此物质比其还要黑上三十倍 这正是是科学家们长久以来苦苦寻找的理想黑色 它可以吸收所有的色光但是不反射 此物质的反射指数是0 045 相比之下 我们一般使用的黑漆的反射指数则是5 到10 此物质可用于转换太阳能 也可用于红外线检测或天文观测 将在军事和国防中得到重大利用 通过纳米碳管可以解决个人计算机内部的散热问题 因为纳米碳管导热的效果极佳 而且管子很小 且能在聚合物或涂层中悬浮 碳纳米管的应用 器件散热 碳纳米管的应用 储氢 高质量的碳纳米管能储存大量氢气 从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车 碳纳米材料的应用非常广泛 四 其他纳米材料简介 自清洁材料 出污泥而不染 的荷叶 荷叶效应 的涂料 实现自清洁或易清洁技术主要有两种技术方案 一是采用超亲水结构的具有光催化特殊的涂层 光催化涂层在有足够光照 含紫外光 及雨水较多的条件下可以较好地分解空气中的有机污染物 并能杀灭空气中的细菌 从而达到自清洁的效果 但是要求雨水多 二是采用具有极低表面能结构的涂层 低表面能涂层由于特殊的表面结构 灰尘等污染物难以在其表面牢固停留 通过水的冲洗性能较好地去除表面灰尘 但它不具有分解有机气体的功效 自清洁材料 自清洁的纳米超亲水功能 经过处理的玻璃表面具有超亲水性能 该特性可以使水分完整均匀地在玻璃表面铺展开来 同时 完全地浸润玻璃和污染物 最终通过水的重力将附着于玻璃上的污染物携带走 从而达到自清洁效果 并保持玻璃的长期清洁 而普通玻璃则会在表面上形成水珠 粘附灰尘 自清洁材料 表面微纳米结构 现实生活中的应用 超疏水 涂料 衣服等等 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接触 液滴在自身的表面张力作用下形成球状 藉由液滴在滚动中吸附灰尘 并滚出叶面 荷叶的表面结构 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 这是因为在叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构 耐腐蚀抗降解的涂料 不结雾不沾水的玻璃 不浸湿不玷污衣服 不沾水的雨伞 纳米材料的超双亲界面 耐老化 抗紫外线及耐腐蚀抗氧化等特殊性能 使其应用于文物保护 仿荷叶效应 国家大剧院 隐形技术 主要有 1 机身隐形主要通过外形几何设计降低雷达反射以及吸波涂层对雷达波的吸收 2 发动机隐形在尾喷管外面加装降低喷口气体温度 减少红外泄露的装置 3 电子隐形就是尽量使用被动雷达 而少