第十讲+纳米材料.ppt

1,化学与社会ChemistryandSociety,化学化工系,2,第九讲纳米与纳米技术nanoandnanotechnology,3,化合物,金属材料,半导体和超导材料,硅酸盐材料,复合材料,纳米材料,高分子材料,4,纳米与纳米技术的尺度,纳米(nm)实际上是一种计量单位，1纳米是1米的十亿分之一(1m=1,000,000,000nm),人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。,纳米技术则是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到纳米量级后，这种物质就可被称为纳米材料。神奇的是同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变,5,花粉是纳米级的粒子,病毒也是纳米级的,0-100nm.,6,如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。,用什么仪器去看纳米,扫描隧道显微镜（英文名称是ScanningTunnelingMicroscope，简称为STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米,7,扫描隧道显微镜示意图,8,主要内容,9,移动原子世界上最小的广告,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以对原子进行操纵！,10,纳米神算子分子算盘,STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。这不，科学家把C60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的！这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。,11,纳米绘画艺术纳米中国,这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。,12,碳纳米球（富勒稀）,TheNobelPrizeinChemistry1996fordiscoveryoffullerenes（C60).,碳原子组成的小单元看起来和足球一样。碳原子的活性差，导电，非常稳定。绝佳的材料和电性能,13,碳纳米管nanotube,碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢的1/6。科学家们已经研制成功了世界上最小的碳管，他们认为这将是最细和最稳定的纳米碳管。这种小小的圆柱体直径仅为0.4纳米。,14,HOWTOMAKETHEINSOLUBLESOLUBLE如何使碳纳米管溶解于水中？,Attachinglargeorganicgroups（有机功能团）iskeytounclumpingnanotubes.Ifonlytheywouldswimfreelyinsolution,nanotubesmighteasilyrealizetheirenormouspotentialforelectronicsandmaterials.Butthechicken-wire-likecarboncylindersarenotoriouslyinsoluble:Theytendtoclumptogetherinunmanageableglobbyropes.,15,Carbonnanotubeswithorganicappendagesarehighlysoluble(高溶解）.,16,纳米碳管储氢,当前的一个用途就是可以作为盛放氢燃料的容器。氢气在正常状态下所占空间太大，而要把它压缩成液态的话，费用又太高。科学家们已经发现把氢气存放在纳米管中时，其体积将明显减少。一个纳米管的直径和一个氢原子的直径相似。在这种情况下，氢气的储存浓度可以达到一个极高的水平。,17,Simulationsnapshotofhydrogen(Hshowninred)adsorbinginanarrayof(10,10)carbonnanotubesat298Kand200atm.,18,氢与碳纳米管壁的电荷传递,FLEXINGTUBESQuantummechanicalmoleculardynamicssimulationsbyChengandcoworkerssuggestthatthewallsofnanotubesinabundlefluctuateinposition,givingrisetodistortionsthatcreatetheopportunityforcharge-transferinteractionsbetweenthewallsandhydrogen(H)molecules.Thisillustrationincludesagreaternumberofhydrogenmoleculesthanwereinvolvedintheinitialsimulation.,19,氧气吸附在碳纳米管使导电性变化ChemistryHighlight2000,Oxygen(O)molecules(green)adsorbedoncarbonnanotubescausechangesinelectronicproperties,Zettiandcoworkershavefound.,20,Japanesechemistsforthefirsttimehavepreparedanopen-cagefullerenederivativewithanorificelargeenoughtoallowahydrogen(H)moleculetobeinsertedintothecagein100%yieldJ.Am.Chem.Soc.,125,7152(2003).June13,2003,21,SINGLE-NANOTUBEPHOTODETECTOR纳米管光电检测器,SPARKLERShininglightonacarbonnanotubethatswiredintoatransistorgeneratesameasurablecurrent,makingthedeviceananoscalephotodetector.NanoLett.,publishedonlineJune25,2003,22,ANANOCONVEYOR(纳米搬运)Nature,428,924(2004),Transmissionelectronmicroscopeimagesatone-minuteintervalsshowindium(In)movingalongacarbonnanotubefromlefttoright.thatmightsomedaybeusedtofabricatenanoscaledevices.,23,24,PolymerMadeInANanoTestTube碳纳米管内形成高分子,FullereneepoxidepolymerizestoformalinearchaininsideacarbonnanotubeNovember29,2004Chemical&EngineeringNews,25,纳米管存储器,interconnect,Carbonnanotuberibbon,electrode,supports,Oxidelayer,Siliconwafer,2005年4月科学美国人,26,纳米管存储器的优点,存储量大底成本和闪存的非挥发性完美的结合耗电量低较好地抵抗可能出现的高温，低温或磁性损坏,27,28,29,纳米技术对信息技术的影响,可以将存储器的存储能力提高1000倍，到那时巨型计算机小到可以放进口袋里，国家图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。以硅为材料的微米级集成电路技术将走到尽头，纳米材料将成为替代硅和其它半导体材料的最佳候选者。从技术上讲，碳纳米管很有可能成为硅的换代品，成为电子产品的主要材料。科学家分别研究了金属性的碳纳米管和半导体性的碳纳米管，认为金属性碳纳米管可以用作电路中的连接件，而半导体性碳纳米管可以用作电路开关,30,碳纳米管纤维纺织技术,2004年11月19日美国科学周刊306卷,31,单壁纳米管的生长,2004年11月19日美国科学周刊306卷,32,33,纳米材料的妙用,原来是导体的铜等金属，在尺寸减小到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，当尺寸减小到几个纳米或十几个纳米时，电阻会大大下降，失去绝缘体特性，变得能够导电。通常性况下陶瓷是脆性材料，因而限制了它的应用范围，而纳米陶瓷却变成了韧性材料，在常温下能弯曲，不怕摔，坚固无比。,34,纳米技术在环境中的应用,在水处理方面，我们做出纳米孔膜，可以用于海水淡化、污水处理。现在海水淡化的最高水平是淡化1吨水成本是3块钱，但用纳米技术大概几毛钱就能淡化1吨水。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何粘在表面上的脏物，包括油污、细菌，在光的照射下，由于纳米的催化作用，都可以变成气体或者容易被擦掉的物质。让整个城市所有刷涂料的地方，每刷一遍涂料就是加一层催化剂，就可以催化空气中的有害物质，比如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、三氧化硫等污染物。,35,纳米技术在生活中的应用,将纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不沾水又防污。在食物中添加纳米微粒，可以除味杀菌，聪明的厂家已利用这一技术生产出可以抗菌的冰箱。纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂也得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。,36,Nano-engineeredPowdersTackleToxicChemicals纳米粉末处理有毒化学品,April28,2005，TheNationalScienceFoundationComposedofmagnesium（Mg),titanium(Ti)andoxygen,thetoxic-chemicalcleanerknownasFAST-ACTisunremarkableatfirstglance.,37,38,生物医学领域纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容。纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。,39,40,纳米医药中药的有效成分一般都是油相的，如果在水相当中纳米化，注射到患者血液当中，中药的有效成份就会大大提高。我们用特定性质的纳米材料界面材料去包覆中药的有效成分，到了这种环境里因亲和而溶解，治疗成分就会释放出来，释放出来后就可以治病，这样治疗成分就带有很强的靶向性，进一步提高疗效。,41,引发新的工业革命纳米技术的科学家们坚信，“小”不仅是美丽的，而且是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有12毫米的静电发动机、体积只有常规机器万分之一并能运转的车床以及直径仅5.5毫米的“尺蠖”有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查