纳米材料科学与技术.ppt

纳米材料科学与技术 1 1 纳米科技概念的提出与发展 当2000年人们回顾历史的时候 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子 分子来制造机器而感到惊讶 RichardP Feynman 1959 还设想 如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子 那么这将给科学带来什么 这正是对纳米科技的预言 小尺寸大世界 1959年12月 费曼所作的题为 底部还有很大空间 的演讲 被公认为是纳米技术思想的来源 费曼曾预言 毫无疑问 当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话 将大大的扩充我们可能获得物性的范围 费曼 RichardFeynman 物理学家量子动力学1965诺贝尔奖 2 1974年 科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工 1982年 科学家发明研究纳米的重要工具 扫描隧道显微镜 使人类首次在大气和常温下看见原子 为我们揭示一个可见的原子 分子世界 对纳米科技发展产生了积极促进作用 1990年7月 第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办 标志着纳米科学技术的正式诞生 1 纳米科技概念的提出与发展 3 第一阶段 1990年以前 在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体 合成块体 包括薄膜 研究评估表征的方法 探索纳米材料不同于常规材料的性能 第二阶段 1994年以前 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理 化学和力学性能 设计纳米复合材料 第三阶段 1994之后 纳米组装体系 1 纳米科技概念的提出与发展 4 引言 纳米科技的发展史是一个由幻想到现实的过程 其中不乏里程碑式的事件 图1 图1纳米科技发展的里程碑节点 5 1 纳米科技概念的提出与发展 纳米 Nanometer 是长度的单位 什么是纳米 6 1纳米 10 9m 大约等于十个氢原子并列一直线的长度 形象地讲 一纳米的物体放到乒乓球上 就像一个乒乓球放在地球上一般 这就是纳米长度的概念 人类头发的直径大约有6万至8万纳米 纳米材料的主要形式 纳米粒子 纳米线 纳米带 纳米膜 纳米管 纳米固体材料 7 某一方向尺度为1 100nm的材料称为纳米材料 各种纳米结构 8 二维指在空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 按照维数划分 零维指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒 原子团簇等 一维指在空间有二维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 9 纳米分类 按化学组成与结构 纳米金属材料 纳米陶瓷材料 纳米高分子材料 纳米复合材料 按力学性能 纳米增强陶瓷材料 纳米改性高分子材料 纳米耐磨及润滑材料 超精细耐磨材料 按光学性能 纳米吸波 隐身 材料 光过滤材料 光导电材料 感光或发光材料 纳米改性颜料 纳米抗紫外线材料 按电子性能 纳米半导体传感器材料 纳米超纯电子浆料 按磁性 高密度磁记录介质材料 磁流体 纳米磁性吸波材料 纳米磁性药物 纳米微晶永磁或软磁材料 室温磁制冷材料 按热学性能 纳米热交换材料 低温烧结材料 低温焊料 特种非平衡合金 按生物与医用性能 纳米药物 纳米骨和齿修复材料 纳米抗菌材料 按表面活性 纳米催化材料 吸附材料 防污环境材料 纳米材料的种类 10 2 纳米材料概述 全球科技经济瞭望 科学界普遍认为 纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机 其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌 纳米技术将给医学 制造业 材料和信息通信等行业带来革命性的变革 11 纳米材料概述 纳米技术在美国 美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划 NNI 其宗旨是整合联邦各机构的力量 加强其在开展纳米尺度的科学 工程和技术开发工作方面的协调 2003年11月 美国国会又通过了 21世纪纳米技术研究开发法案 这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划 从基础研究 应用研究到研究中心 基础设施的建立以及人才的培养等全面展开 批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元 用于促进纳米技术的研究开发 12 纳米材料概述 纳米技术在美国 2010年 80万纳米科技人才 GDP1万亿美元 200万个就业机会能源部的8项优先研究中 6项有关纳米材料 军工 隐形飞机表面涂料 舰船表面纳米涂料本世纪前10年几个关键领域之一 制定了 国家纳米技术倡议 纳米材料纳米电子学 光电子学和磁学纳米医学和生物学 13 国会 21世纪前20年的立国之本 日本政府总共投资了多于38亿美元在研究上著名大企业 纳米实用化技术的计划三菱化工建立了 富勒烯 纳米碳管生产线自洁净玻璃 光催化净化水或空气 纳米材料概述 纳米技术在日本 日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国 14 2005年 欧盟制定 欧洲纳米技术发展战略 欧盟成员国德国 法国 芬兰等分别制定了本国纳米技术发展计划 欧盟及主要成员国已累计投入超过140亿美元 俄罗斯从2001年开始重点推动纳米技术产业 2007年专门成立国有 俄罗斯纳米技术集团 推动产业化发展 纳米材料概述 纳米技术在欧洲 15 我国从20世纪80年代起就一直高度重视纳米技术 作为较早开展纳米技术研究的国家之一 2001年就成立国家纳米科技指导协调委员会 同年7月科技部等五部委发布 国家纳米科技发展纲要 2001 2010 2001 2009年 我国用于纳米科技的研发经费超过26亿元人民币 我国在纳米材料研究方面与国际保持同步 并已开始产业化 2009年 我国发表纳米科技SCI E论文总数首次超越美国 跃居世界第一 专利申请量世界第二 先后建设 国家纳米技术科学中心 和 纳米技术及应用国家工程研究 纳米材料概述 纳米技术与当代中国 16 纳米材料的奇异性能 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构 使之产生四大效应 即小尺寸效应 量子效应 含宏观量子隧道效应 表面效应和界面效应 从而具有传统材料所不具备的物理 化学性能 由于纳米材料在磁 热 光 电 催化 生物等方面具有奇异的特性 使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景 并已经成为当今世界科技前沿的热点之一 17 表面效应 引发性能 1 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 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 纳米材料的奇异性能 表面效应 如A原子缺少三个近邻 B C D原子各缺少两个近邻 E原子缺少一个近邻 它们均处于不稳定状态 近邻缺位越多越容易与其他原子结合 说明处于表面的原子 A B C D和E 比处于内部的原子的配位有效明显的减少 纳米材料的奇异性能 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 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 20 宽频带强吸收纳米粒子呈黑色 极低反射率纳米氮化硅 碳化硅及氧化铝粉末对红外有一个宽带吸收谱大的比表面导致了平均配位数下降 不饱和键和悬键增多可以作为高效率的光热 光电等转换材料 也可以应用于红外敏感元件 红外隐身技术等量子限域效应 1 光学性质 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 21 银多面体纳米晶由于等离子体共振吸收峰变化导致散射的颜色发生变化 小尺寸效应 1 光学性质 蓝移 纳米材料的奇异性能 22 1 光学性质 蓝移 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 23 2 光学性质 发光 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 24 固态大尺寸物质 熔点固定 超细微化后其熔点显著降低 当粒径小于10纳米时尤为显著例如 块状金的常规熔点为1064 当颗粒尺寸减小到10nm尺寸时 则降低27 2nm尺寸时的熔点仅为327 左右 比热容 热膨胀系数 纳米金属Cu的比热容是传统纯Cu的2倍 纳米固体Pd的热膨胀比传统Pd材料提高1倍 纳米Ag作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高30 3 热学性质 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 25 纳米颗粒足够小时 呈现超顺磁性 磁性超细颗粒具有高的矫顽力 磁性材料纳米化后 磁化率也会发生明显变化 纳米磁性金属磁化率是宏观状态下的20倍 而饱和磁矩是宏观状态下的1 2 磁性超微颗粒 生物磁罗盘高矫顽力 制作高贮存密度的磁记录磁粉超顺磁性 制作磁性液体 铁磁流体 4 磁学性质 小尺寸效应 纳米材料的奇异性能 26 典型案例 银是优良的良导体 10 15 nm的银微粒电阻突然升高 失去了金属的特征 变成了非导体 共价键结构的氮化硅 二氧化硅等 当尺寸达到 15 20 nm时电阻却大大下降 用扫描隧道显微镜观察时不需要在其表面导电材料就能观察到其表面的形貌 5 电学性质 小尺寸效应 主要原因 晶界上原子体积分数增大 晶界原子排列混乱 厚度大 界面能垒导致电子运动发生变化 纳米材料的奇异性能 27 为分散介质的粘度系数 r为粒子半径 6 动力学性质 小尺寸效应 扩散 是在有浓度差时 由于微粒热运动 布朗运动 而引起的物质迁移现象 微粒越大 热运动速度愈小 一般以扩散系数 D 来量度扩散速度 28 纳米材料的奇异性能 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 宏观量子隧道效应 意义 确立了现存微电子器件进一步微型化的极限 29 纳米材料的奇异性能 当粒子尺寸降到某一值时 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级 能隙变宽现象均称为量子尺寸效应 能带理论表明 金属费米能级附近电子能级一般是连续的 这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说 低温下能级是离散的 量子尺寸效应 30 纳米材料的奇异性能 什么是纳米科技 31 纳米科技研究内容 纳米科技的研究内容 纳米物理学 纳米化学 纳米材料学 纳米生物学 纳米电子学 纳米加工学 纳米力学等学科 纳米技术涉及机械 电子 材料 物理 化学 生物 医学等多个领域 纳米科技大厦 32 纳米科技 33 视频资料 什么是纳米 纳米材料应用领域 能源领域 金属防护 路桥领域 建筑节能 34 35 视频资料 1NanoYou STM的工作原理 将针尖和样品表面作为两个电极 当两者之间的距离足够小时 在电场的作用下 电子会穿过电极间的绝缘层 形成 隧道电流 这种效应就是隧道效应 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面 通过隧道电流获取图像 STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描 36 STM的原理示意图 37 38 STM观察和研究固体表面的微观结构 观察和研究固体表面的微观结构 1 3特点及应用 39 白春礼院士 1988年4月12日 中国第一台计算机控制的STM研制成功 40 1989年美国加州IBM实验内 依格勒博士 D Eigler 采用低温 超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子排出 IBM 之后 中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出 中国 二字 标志我国在纳米科技领域占有一席之地 STM例 移动原子 41 STM例 移动铁原子 1993年 美国科学家在低温下 用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环 并且直接观察到了电子驻波的图形 42 视频资料 扫描隧道显微镜的发明STM的工作原理如何移动 触摸原子 43 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 44 纳米材料的自然历史 图5王羲之 夜乱贴 局部 徽墨 精烟墨 45 莲花叶子表面的自我洁净莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小 当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 在滚动中吸附灰尘 并滚出叶面 纳米材料的自然历史 46 47 水滴在涂层表面的表观接触角 cos 1 cos 表面材质 表面粗糙度 48 49 提高表面憎水性 微观凹 凸形貌 150o耐污性 5 疏水 改性 蜜蜂 导航功能 蜜蜂体内存在着磁性的纳米粒子 这些粒子具有罗盘的作用 这就是蜜蜂飞行的导航系统 鹅毛和鸭毛的排列非常整齐 且毛与毛之间的隙缝极小 小到纳米尺寸 所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛 所以鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥 这种结构还极其通气 纳米材料的自然历史 51 52 通过涂层表面微观结构与形貌的设计 使之具有类似海豚皮表面纳米结构与形貌 以实现舰船涂层的长效 无毒防污 53 影响舰船的战斗性能 污损率为5 时的阻力 洁净表面的2倍 燃油消耗 燃料消耗增加10 维修成本增加 加速船体腐蚀 缩短使用寿命 船舰耐污涂层 54 壁虎的脚底部长着数百万根极细的刚毛 壁虎的每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛 55 2008年3月 美国哈佛 麻省理工罗伯特 兰格和杰弗里 卡普教授开发出一种具有弹性的 可生物降解的胶贴 该胶贴的灵感来自壁虎的足部 这种胶贴 也是依靠纳米尺度的柱体和化学胶水制成的 它是第一个能呈现出良好黏性强度和动物安全性的胶贴 56 57 现代纳米发展与高新科技 1991年 碳纳米管被人类发现 它的质量是相同体积钢的六分之一 强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点 诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为 纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料 也将被广泛用于超微导线 超微开关以及纳米级电子线路等 碳纳米管被发现 视频 中国在纳米碳管研究中的突破 58 天梯 碳纳米管绳梯 古人曾经幻想 顺着天梯就可以上天了 他们认为 沿着昆仑山顶峰上的大树向上爬 爬到树顶就能进入天庭 这棵树就是上天的天梯 从地面修造一架天梯达到几万千米高的卫星 底部必须是直径358千米粗的柱子 才能支撑得住 才不会被自己的重量压弯 这样的天梯 其底座相当于江苏省的面积那么大 59 天梯 碳纳米管绳梯 建设天梯 20世纪90年代提出 同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球 升降机将沿着这个绳缆爬上爬下 60 石墨烯 Graphene 是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料 是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 只有一个碳原子厚度的二维材料 A K Geim K S Novoselov 61 石墨烯的发现 朗讯公司和牛津大学 纳米镊子碳纳米管 秤 称量一个病毒的重量称量单个原子重量的 纳米秤 纳米研究进展 62 2005年 美国莱斯大学教授詹姆斯 图尔设计了一个纳米车 虽然没有马达 但可以借助热扩散在金属表面移动 他指出费林加研发的新分子是在制造当前只能通过酶的生物学活动实现的机器方面迈出的重要一步 图尔说 我们可以捕获小分子 组装成类似电子存储器那样的小型装置 63 世界最小四轮纳米车 显微外科术的革命 细胞修复术 众所周知 上世纪器官移植 人工器官技术的发展 曾使得外科从修复外科时代 对病变器官与组织的切除 向替代外科时代 器官移植 人工器官 发展 并有专家预言21世纪医学仍然是替代外科为主的时代 64 纳米药包 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊 放到病人血液和组织内 一遇上癌细胞的DNA时 DNA链就与癌细胞的DNA结合 这时药物开关受触发而开放 药物便释放出来 杀灭癌细胞 65 纳米泵人造红细胞 它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气 血液形态图 在生物医学领域的应用 纳米技术与基因疗法的结合 瑞典科学家制作的微型医用机器人 可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠 用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动 培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀 甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位 果蝇 遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性 右侧为雄性 纳米清洁工 科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人 清洁工 专门负责清扫血管壁上的胆固醇 凝血等沉积物 以预防脑血栓等心血管病 同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人 纳米机器人在清理血管中的有害堆积物 纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动 对于脑血栓 动脉硬化等病灶 可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅 开胸手术 69 隐形战斗机 防弹衣 因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 70 机器人配备纳米 大脑 71 纳米科技战士 72 这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲 可装备在作战服上作为 辅助肌肉 增强士兵跳跃 搬运的能力 同时也可用于战场急救 73 74 未来的美军作战服可能就是这个样子 75 麻雀卫星 蚊子导弹 苍蝇飞机 蚂蚁士兵 美欲五年装备纳米武器 76 December15 2000 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 77 五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习 战争 发生在2010年 美国与敌方的飞机 坦克 大炮在战场上频繁调动 就在双方剑拔弩张之时 天空中出现了许多 苍蝇 黄蜂 等 小昆虫 地面上也拥出数以万计的 蚂蚁 这些 小动物 有的在战场上空盘旋 有的则直接进入敌方的指挥机关 雷达站 弹药库等 突然间 随着一声巨响 敌方弹药库率先发生爆炸 紧接着 敌方指挥通信系统也莫名其妙地炸开了花 在前线待命的飞机 坦克和航母 因接不到指令 失去弹药和能源补给 全都成了废铁 随着纳米技术的发展 人类也许能够研制出各种 难以有效防御 的先进武器 尖端的纳米技术有可能成为 本世纪人类面临的最大威胁之一 78 2009年2月 Grimes在Nature报道了 水变油 实验 向钢管内通入二氧化碳和水蒸气 用纳米管薄膜覆盖住仪器的后部 然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入 在纳米管上时 纳米管释放出高能量的载荷子 使得水分子分解为氢氧自由基和氢离子 二氧化碳分解后的产物 氧气 一氧化碳和氢气后 就反应生成了甲烷和水 在整个反应后期 铜和铂催化作用明显 但由于铂的价格昂贵 如何减少铂含量而使得催化效果不变 仍值得研究 79 人工光合成 太阳能转化 2000年4月 美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀 该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞 并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断 2001年纽约斯隆 凯特林癌症研究中心的戴维 沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕 225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中 制造了一种消灭癌细胞的靶向