纳米材料-青年教师讲课.ppt

材料工程基础纳米材料 CompanyLogo 内容 四 小结 三 纳米材料的性能及应用 二 纳米材料发展的历史 一 基本定义 纳米 纳米材料 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 纳米是一个长度单位1nm 10 9m纳米材料 晶粒尺寸为1 100nm的材料 一 基本定义 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 二 纳米材料的发展历史 最早的纳米材料 文房四宝中的墨 铜镜表面的SnO2薄膜1959年 理查 德费曼首次提出了 纳米 材料的概念1982年 格尔德 宾宁和海因里希 罗雷尔发明扫描隧道显微镜1990年 人类首次操作原子写出IBM三个字1999年 纳米技术逐步走向市场 全年纳米产品的营业额达到500亿美元现状 每周都有三 四种纳米产品上市 纳米食用油 纳米化妆品 纳米墙面漆 纳米收音机 CompanyLogo 1990年美国IBM公司借助扫描隧道显微镜 在一小片镍晶体上用35个氙原 IBM 用原子写的 原子 二字只有几个纳米大小 扫描隧道显微镜下的纳米世界 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 1990年 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 1993年 中国科学院真空物理实验室 首次操纵原子成功写出 中国 二字 标志着我国开始纳米领域占有一席之地 1997年 美国科学家首次成功地用单电子移动单电子 利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机 1999年 纳米技术逐步走向市场 全年纳米产品的营业额达到500亿美元 二 纳米材料的发展历史 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 小尺寸效应 宏观量子隧道效应 表面与界面效应 在纳米的世界里材料性能发生质的飞跃 量子尺寸效应 三 纳米材料的 特异 性能及应用 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 四 典型的纳米材料 纳米碳管 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 单壁纳米碳管 1993 饭岛澄男 多壁纳米碳管 1991 饭岛澄男 四 典型的纳米材料 纳米碳管 4 1纳米碳管 carbonnanotube 的发现 沈阳理工大学 CompanyLogo 4 2碳纳米管的电学性质性质和应用 四 典型的纳米材料 纳米碳管 碳纳米管的性质强烈依赖于直径和手性 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 世界上最小的汽车 4nm纳米赛车2010 01 21 沈阳理工大学 材料学院连接所 4 2碳纳米管的电学性质性质和应用 四 典型的纳米材料 纳米碳管 CompanyLogo a b 串珠状纳米碳管 半导体纳米球异质结构 c 利用单根纳米结构制造的Schottky二极管中科院化学所 朱道本院士 刘云圻研究员AdvancedMaterials Vol 17 No 2 P217 221 2005 4 2碳纳米管的电学性质性质和应用 四 典型的纳米材料 纳米碳管 沈阳理工大学 CompanyLogo CompanyLogo 4 3碳纳米管独特的力学性质和应用碳纳米管的强度比钢高100多倍 杨氏模量估计可高达5TPa 测量报道1 28 0 59TPa 这是目前可制备出的具有最高比强度的材料 而比重却只有钢的1 6 具有好的可弯曲性 可承受扭转形变 并可弯成小圆环 应力卸除后可完全恢复到原来状态 压力不会导致碳纳米管的断裂 四 典型的纳米材料 纳米碳管 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图 4 3碳纳米管独特的力学性质和应用 四 典型的纳米材料 纳米碳管 沈阳理工大学 CompanyLogo 碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙 成为最有潜力的储氢材料 用于发展纳米管燃料电池 美国国立可再生能源实验室研究认为SWNT是唯一可用于氢燃料电池汽车的储氢材料 Nature 1997 386 27 377 379TheJournalofPhysicalChemistryC 112 14 5598 5604 2008 JianhuiLan DaojianCheng DapengCao andWenchuanWang 4 4碳纳米管储氢上的应用 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 小尺寸效应 当纳米微粒的尺寸与光波的波长 传导电子波长等相当或更小时 在不改变化学成分的条件下 声 光 电 磁 热 力学等物理性均发生变化 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 小尺寸效应的特殊光学性质 白金和黄金变成黑色金属超微颗粒对光的反射率很低 通常可低于1 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 小尺寸效应 蛾眼效应和太阳能电池板 应用物理快报 APL 92 061112 2008 沈阳理工大学 CompanyLogo 纳米微粒尺寸小 表面积大 位于表面原子相对比例大 表面能高 10cm表面原子数20 1nm即达99 引起表面原子配合不全 导致表面活性点增加 而活性增大 极不稳定 很容易与其他原子结合 表面与界面效应 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 表面与界面效应的应用 壁虎的脚 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo a 壁虎脚的电子显微镜放大照片 b 碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片 c 一个 4 4 平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料 d 一个 4 4 平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈 沈阳理工大学 表面与界面效应的应用 壁虎的脚 CompanyLogo 量子尺寸效应 量子尺寸效应当纳米微粒的尺寸下降到某一值时 会产生比原子小的效应 即量子效应 产生新的物质 是20世纪新发现的自然现象 量子学的规律 适用于宏观又适用于微观 它揭示了光电子的能量与光强度无关 而与射散光的频率有关 在揭示经典物理的基础上 建立了新的概念和理论 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力 称为隧道效应 近年来 人们发现一些宏观量 例如微颗粒的磁化强度 量子相干器件中的磁通量等具有隧道效应 称为宏观量子隧道效应 纳米材料具有贯穿势垒的能力 这就使其物化反应需消耗的能量和催化剂减少 反应速度与效果递增 沈阳理工大学 材料学院连接所 CompanyLogo 埃里克 纽特探讨了关于未来的一些重