第一章-纳米材料绪论

纳米材料与技术,授课教师:魏显起教授,考核方式：1.期末闭卷考试(或论文）2.课内讨论、答辩,多选题哦,1、课堂考勤+课堂提问+课后作业+课内讨论,2、课堂考勤+小组汇报讨论+论文答辩+作业,创新能力！,成绩组成：期末50%+课内讨论、答辩、作业50%。,学时分配（32学时18+12）：第一章绪论3学时第二章纳米材料的结构与性质3学时第三章纳米材料的制备方法3学时第四章纳米材料的表征3学时第五章纳米材料的应用3学时第六章几种典型的纳米材料3学时含三次小组讨论课，一次撰写报告,第一章绪论第一节纳米材料的定义第二节纳米材料在国内外的研究现状,4,5,纳米技术是世界先进国家争夺的战略制高点纳米技术产业发展的水平将决定着一个国家在世界经济中的地位,一、引言纳米科技的“热”,第一节纳米材料的定义,新技术革命发展的要求，刺激了新材料的发展，纳米技术的发展，使具有特异功能的各种纳米材料成为可能,6,美国用于军事而研制的纳米机器人的手臂,韩非子：“凡物之有形者，易裁也，易割也。何以论之？有形，则有短长，有短长则有大小”,公孙龙：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”不断细化的颗粒有形物质无限可分的体现从有到无，而最后的微粒子又是能量的另一种形式的表现。,二、认识纳米,8,9,人类认识客观世界的二个层次：宏观世界、微观世界宏观上：研究物质的熔点、强度、化学反应活性、磁性、电导，宏观物理性质等。微观上：深入到分子、原子层次，建立了量子理论、晶体理论，原子结构理论、分子结构理论、化学键理论。,从诺贝尔奖中寻觅纳米科技发展的踪迹,13,纳米材料的发现是人类从宏观到微观认识层次的一次飞跃,14,15,纳米尺度大小的比较,纳米（nm），又称毫微米，一纳米等于十亿分之一米,16,三、纳米的自然历史,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：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“人工超微颗粒”烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。,18,平滑表面,“莲花效应”表面,植物中纳米效应示例,19,20,纳米陶瓷纳米涂料纳米织物,21,海豚的自洁作用,昆虫翅膀的自洁作用,动物表面的自清洁性,22,可以防水的羽毛,纳米科技：在纳米尺度（l100纳米）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。是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术结合的产物。,23,四、纳米科技,24,五、纳米科技的主要研究内容创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。（1）纳米电子学（2）纳米物理学（3）纳米化学（4）纳米生物学（5）纳米加工学（6）纳米计量学,25,第一阶段(1990年以前):实验室探索;第二阶段(1994年前):关注奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料;第三阶段(从1994年到现在):纳米组装,一、纳米科技发展历史,26,第二节纳米材料在国内外的研究现状,35亿年前，第一个细胞出现在地球上。公元400年前，Democritus提出“atom”概念，原子是物质不可分割的最小单位？,27,1905年，爱因斯坦在估算糖分子的大小大约1nm1931年，马克斯诺尔和恩斯特茹斯卡发明了电子显微镜，可以用来观察比纳米还小的物体。,“纳米科技”概念的提出1959年，理查德费曼预言：“对细微尺度事物的操纵，将大大增加我们可能获得物性的范围。”,28,29,移动displacement提取extraction放置deposition,单原子操纵示意图,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,1982年，IBM公司的科学家瑞士人海因里希罗勒和德国人及其合作者发明了扫描隧道显微镜(STM)，利用这种技术可以分辨出单个的原子。,30,31,1993年将101个铁原子排列在铜(111)面上,世界上最小的IBM商标1990年IBM将35个氙原子排列在镍(110)面上,1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,32,33,纳米中国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。如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。,34,铂单晶表面上的CO小人,世界上最小的汽车仅4纳米,1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。,35,1991年，日本NEC公司的饭岛等发现碳纳米管,36,37,38,H2原子和C纳米管,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。,39,1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量。,40,二、纳米技术发展展望第一阶段：准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。第二个阶段：生产纳米结构物质。第三个阶段：大量制造复杂的纳米结构物质。第四个阶段：实现纳米计算机。第五个阶段：研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。,41,42,三、纳米科技的政府行动,德国政府:德国教育研究联邦政府（BMBF）是德国纳米技术的主要国家规划者，纳米项目面向的领域：超薄膜；超精度表面；纳米结构分析；纳米材料和分子组装。,43,中国政府2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。2001年7月发布了国家纳米科技发展纲要,44,45,中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居世界第四。在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手段离国外还有很大的差距。,四、纳米新材料及其应用高强度与高韧性高比热和高热膨胀系数高导电率和高扩散率高磁化率和高矫顽力电磁波的吸收集成电路和存储器分子马达信息科学纳米半导体,46,47,微/纳米机电系统,纳米ZnO光催化研究,以太阳光为光源，催化甲基橙实验。有纳米ZnO粉体的甲基橙溶液中，随着时间的延长，甲基橙浓度逐渐降低。显示了ZnO对甲基橙的催化分解。,48,纳米粒子的应用,五、中国“纳米牛人”,张立德生年：1938贡献：把纳米概念引入中国的第一人单位：合肥固体物理所纳米材料学纳米材料和纳米结构,49,钱逸泰生年：1941贡献：溶剂热合成的发明者之一单位：中国科技大学院士溶剂热合成的发明者之一，是溶剂相合成纳米材料的国际级专家。,50,卢柯生年：1965贡献：非晶晶化法制备纳米材料的创造者单位：中国科学院院士当今国际上公认的三种纳米材料制备技术之一的非晶晶化法的创造者。,51,52,俞书宏中国科学技术大学，67年生