纳米材料及应用简介

纳米材料及应用简介罗文华,湖南理工学院物电学院,纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1nm=10-9m,对于宏观物质来说，纳米是一个很小的单位。例如，人的头发直径：7000-8000nm人体细胞直径：3000-5000nm病毒直径：几十至几百纳米金属的晶粒尺寸：微米量级原子直径：0.1nm,一、纳米材料简介,就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意微观（原子）和宏观领域的研究，常常忽略这个中间领域（介观），而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。,纳米晶,晶界,日本科学家在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。,纳米结构：是指以纳米尺度的物质单元为基元，按一定规律排列，形成一维的、二维的及三维的阵列，这种结构体系就称为“纳米结构”,分类纳米晶：材料的结构单元的三维尺度均为纳米量级，如纳米粒子构成的多晶材料。棒状结构，材料的结构单元的三维尺度中有两维是纳米量级，如纳米丝和纳米管。层状结构：材料的结构单元的三维尺度中有一维是纳米量级，如超薄膜、多层膜和超晶格等。,纳米技术：研究纳米体系、纳米结构的运动规律、相互作用及实际应用的科学。纳米科学的内涵是“在纳米范围内认识、改造物质世界，通过人为的直接操作、搬迁、安排原子、分子开发新物质”。,移动原子-世界上最小的广告,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。这幅地图有多小呢？150纳米（相当于头发丝的1/50），在技术上预示着纳米图形化加工集成电路的新时代即将到来。,二、纳米材料应用,物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的“功能器件”。如间谍草，蚂蚁士兵，纳米机器人，机器苍蝇，蚊子导弹等。,间谍草,这是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音。,可通过各种途径钻进敌方装备中，长期潜伏下来，一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显灵通，有的专门破坏敌方电子设备，使其短路；有的充当爆破手，特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。,蚂蚁士兵,2004年美国设计和制造出可杀死恶性肿瘤的镀金纳米壳，并在老鼠身上实验成功。它是一种直径为110nm的不导电硅石微粒做蕊，外面镀上10nm厚的金属外壳。研究人员先将纳米壳“运送”到癌组织中，然后用近红外线从身体外部照射癌变组织。近红外线穿过人体正常组织来到癌变组织时，被埋藏在癌变组织中的纳米子弹吸收，附着吸收量加大，纳米子弹的能量增加，导致周围的癌变组织升温并死亡。,纳米子弹,纳米机器人：美国科研人员研发出一种微型纳米粒子，可以通过患者的血流进入肿瘤，然后释放出药物，关掉一种非常重要的癌症基因。这项研究成果发表在2010年3月21日的自然杂志上。,一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。,纳米材料在较宽的频谱范围对电磁波有均匀的吸收性能，几十纳米厚的纳米薄膜的吸收效果与比它厚1000倍的现有吸波材料相同，美国研制的纳米隐身涂料对雷达波的吸收率达99%。把这种纳米吸波材料涂在战略轰炸机，导弹等攻击性飞行器的表面，能有效地吸收敌方防空雷达的电磁波,纳米涂料,磁畴,磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。,纳米碳管是由石墨中的一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部空心，外部直径只有几到几十纳米，相当于头发丝的万分之一，密度只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍，是做成防弹背心等织物的理想材料。,石墨烯发明者获2010年诺贝尔物理学奖,瑞典皇家科学院认为，海姆和诺沃肖洛夫的研究成果不仅带来一场电子材料革命，而且还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展。,纳米新材料：据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40，减少co2，排放40，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。纳米碳管还能储存大量氢气，从而可以实现以氢气为燃料驱动无污染汽车.,纳米齿轮模型。纳米齿轮上的原子清晰可见。最异想天开的用途莫过于将碳纳米管做成太空升降机的缆绳。由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情,利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能。,纳米金和纳米镍在催化领域有着广阔的应用前景,如在固体火箭推进剂中添加1%的纳米镍粉，每克燃料的燃烧热可增加一倍，这使得纳米镍粉有望成为新型的燃烧催化剂。在开发新能源方面国外进展较快，加入纳米材料把非可燃气体变成可燃气体。,纳米技术做成的所谓量子磁盘，能作高密度的磁记录，每平方厘米的面积上可储存3万部红楼梦。,纳米材料在人们现代生活中的应用,两样同样笔挺的西装，当用水或植物油倒在衣服表面时，其中一件立刻出现了污渍，而另一件只留下几个细小的水珠，一抖，什么都没有了,由于表面微米级结构的取向排列，水滴在水稻叶表面会呈现各向异性的流动趋势。左图为水滴在水稻叶表面的各向异性照片；右图为水稻叶表面的微观结构电镜照片。,污水治理,污水中的重金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。纳米级净水剂能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来。然后采用纳米净化装置，除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜将水中的细菌、病毒100去除。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉。,Letsgo!,三、纳米材料熔化热力学模型,传统材料的熔化温度,材料常数。,纳米粒子直径,纳米粒子的熔化温度,一个原子的结合能,总结合能,原子数,表面原子数,纳米粒子的结合能,球形纳米粒子包含的原子数：,球形纳米粒子表面包含的原子数：,四、纳米材料熔化分子动力学模型,35,引言,绝大多数实际的物理体系都是相互作用的粒子（物体）的集合,1023个水分子,数百万个星星,36,MD模拟可视为“计算机实验”,计算机模拟,客观真理,人类认识,实验,理论,介于理论和实验之间,37,多体问题,特征粒子存在相互作用运动轨道相互关联求解解析解：二体问题往往可解，三体问题的解析解就有困难分子动力学(MD)：求解多粒子体系运动规律的方法。通过数值求解所有粒子的运动方程，来模拟一段时间内多体系统在相空间的运动轨迹。,分子动力学模拟实际上用计算机求解原子的运动方程，即选择一个由N个原子组成的模型体系，解这样一个模型体系的牛顿运动方程直到体系的性质不再随时间改变为止。具体来说，如果已知原子间的相互作用势，通过求其梯度就可以得到原子间的相互作用力，有了相互作用力，就可以求出各原子的加速度、速度和位置的变化规律，然后用适当的统计方法统计出各物理量的大小、方向或变化规律。,原子间的相互作用势,40,粒子的运动轨迹、受力等都是时间的连续函数,在计算中，把时间分成很多分立的时间步，每步长为t。在任一时刻t，计算粒子所受的合力，给出其加速度。根据粒子在t时刻的位置和速度，计算出在t+t时刻的位置与速度（在此时间步中，f被认为是常数）；重新计算力，给出t+2t时刻的速度与位置运动轨迹。,有限差分法,（1）构建初始位形，并设置各原子的初始位置ri(0)和初始速度vi(0)；（2）计算各原子的受力和加速度；（3）预测下一时间步长的位置和速度；,分子动力学的基本步骤:,温度的确定：根据能量均分原理，系统的温度T与动能EK有如下关系：,分子动力学中物理量的计算,扩散系数的确定：,45,MD可解决的问题：,液体Liquidsarewhereanythingstarts缺陷MD长久以来的一个研究内容，如位错运动、晶界、空位运动、扩散断裂(fracture)动力学模拟断裂过程、裂纹扩展表面(surface)物质的熔化过程。团簇(clusters)、纳米颗粒(nanoparticles)结构、有限温度下的动力学性质生物大分子、高分子、蛋白质结构、药物物设计等较新的但已得到广泛应用的领域,脆性断裂,薄膜生长,分子动力学的应用,银的内能随温度变化曲线：,49,液体混合,50,断裂1,51,断裂2,52,拉伸断裂,TensiletestofnanophaseAluminum(sintered),Crackpropagationalongthegrain-boundariesathighstrains,Softeningatsmallestgrainsize,Red:晶粒,Yellow:晶界,53,碰撞,54,ImpactofaNano-Meteorwith11miles/sec,nm流星(418个Fe原子）撞击bcc结构的Fe晶体(100万个Fe原子）,TheMeteorCraterinArizonawasthefirstcrateridentifiedasanimpactcrater.Between20000to50000yearsago,asmallasteroidabout80feetindiameterimpactedtheEarthandformedthecraterwhichmeasures1.2kmindiameter.,55,Airplaneview,56,Shock-inducedstructuralphasetransformationinbcciron,ShockalongFe-bcc(001),Pistonvelocity=417m/s,800万个Fe原子,40.2nm40.2nm57.4nm,Science296,1681(2002),Time:8.76ps,灰色：bcc结构；红色：密排结构；蓝色：压缩bcc结构；黄色：晶界,57,800万个Fe原子,Pistonvelocity471m/s,灰色：bcc结构；红色：密排结构；蓝色：压缩bcc结构；黄色：晶界,58,800万个Fe原子,Pistonvelocity689m/s,超过临界冲击强度，小密排晶粒成核长大,59,甲烷在白金表面的催化裂解,60,Cl2在Al表面的裂解,61,WaterTransportinAquaporins,水通道蛋白,SCIENCE296,525(2002),水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出。水通道是由约翰霍普金斯大学医学院的美国科学家彼得阿格雷所发现，他与通过X射线晶体学技术确认钾离子通道结构的洛克斐勒大学霍华休斯医学研究中心的罗德里克麦金农共同荣获了2003年诺贝尔化学奖。水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道,五、纳米材料熔化自由能方案根据热力学理论，只要能够获得材料的吉布斯自由能函数，材料的许多热力学性质都可以在此基础上得到。例如材料的熔化温度可以由固体自由能曲线和液体自由能曲线的交点得到。这个性质对于纳米材料同样成立。,研究方案,对于球形纳米粒子:,A（T）=4/DV（T）,对于园柱形纳米线:,对于纳米薄膜:,A（T）=2/HV（T）,A（T）=6/DV（T）,对于四面体纳米粒子:,对于二十面体纳米粒子:,A（T）=66/DV（T）,A（T）=（93-315）/DV（T）,(1)面积和体积的关系:,1、纳米粒子的自由能,2、In纳米粒子，纳米线和纳米薄膜的熔化温度尺寸效应,3、Bi纳米粒子的熔化温度尺寸效应,4、二十面体，球形，四面体Ag纳米粒子熔化温度尺寸效应,1使计算机运行速度提高数十亿倍2太空旅行更为、舒适、可行及费用低廉3根除疾病、延缓衰老4人类活动不污染环境和或自动消除已有污染5分子食品合成技术将消除饥荒6使许多灭绝的植物再生7在地球和太阳系其它星球上制造土地,未来纳米技术对人类的影响主要有：,结语,1999年8月20日美国商业周刊在展望21世纪可能有突破性进展的领域