纳米材料中国石油大学VIP

,纳米材料,Theaimofthismissionisknowledge,S3NanoMaterials理学院，郝兰众,中国石油大学（华东）理学院,按材质，可分为金属纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料等；按几何结构，可分为零维纳米材料（颗粒）、一维纳米材料（纳米管或纤维）、二维纳米材料（薄膜）、三维纳米材料（纳米块体）；按用途，可分为功能纳米材料和结构纳米材料；按特殊性能，又可分为纳米润滑剂、纳米光电材料、纳米半透膜等等,纳米材料的分类,纳米结构单元,构成纳米结构块体的基本单元有下述几种：团簇：几至几百个原子的聚集体，其粒径小于1nm。纳米微粒：尺度大于原子簇，一般在1100nm之间。量子点：一定数量的原子组成的聚集体，一般小于100nm。纳米管：一维空心纳米结构单元。纳米线：一维实心纳米结构单元。,Nanotube,Nanowire,Nanorod,特征、区别,CNT,纳米材料的四大效应,小尺寸效应：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。量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，由于电子能级的变化，使材料呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒的现象。表面与界面效应：纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,碳纳米管（Carbonnanotube）,碳纳米管是由碳原子按一定规则排列形成的空心笼状管式结构，其直径不超过几十纳米（一纳米为十亿分之一米）。导电性强、强度是同体积钢的100倍（重量仅为1/6）、韧度高等，是一种用途广泛的新材料。,用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧,莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。,纳米管做成的“纳米秤”,最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。,“纳米碳管”异想天开之应用,天梯古人曾经幻想，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。1982年，科普作家朱毅麟认为天梯的高度至少应该是一颗天上的地球同步卫星那么高。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。,坚韧的碳纤维，其密度是钢的1/6，强度为钢的10100倍，重量则只有钢的1/4。,将纳米碳管做成太空升降机的缆绳，由于它的强度高、重量轻，即使是从太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不会断开，它是目前可作为太空云梯的理想材料。,碳纳米管制造人造卫星的拖绳在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。,美国研发钻石纳米线：太空电梯有望成真,由钻石的基本单位结构连接而成碳原子以三角四面体结构首尾相连，外围包着一层氢原子。,有着非凡属性，强度和硬度都超过了目前最强的纳米管。,纳米科技发展的思路,费曼和德雷克斯勒关于纳米科技发展思路的共同点是要发展全新的自下而上(bottom-up)的模式，打破自人类祖先直立行走起就形成的自上而下(top-down)的一成不变的生产方式。即使达不到“自我复制”的高要求，即使德雷克斯勒的“操纵、安排分子甚至原子”完成制造任务的目标，用在高效率的大规模生产上不见得能获得成功，不过他们的确是“离经叛道”者。,自上而下的制造方式,现在人们的生产模式，是从大到小，从上到下的。比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤，变成电子元器件。这个过程，原材料浪费大、能耗大。,自下而上的制造方式,是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。,由“由上到下”转变为“由下到上”,认识原子,操纵原子,扫描隧道显微镜(STM),1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(G.Binnig)和罗海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)”简称STM。利用STM显微镜，人们可以看到原子大小的东西。,STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。被国际公认为80年代世界十大科技成就之一。,E.Ruska,G.Binnig,H.Rohrer,1986年，诺贝尔物理学奖获得者,假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，由于电子在空间的运动呈现波性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。形象地看如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样。这种现象在量子力学中称为隧道效应。,扫描隧道显微镜工作原理-量子隧道效应,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。,图7针尖放大图,Q=9a,%9b,纳米级微加工,应用隧道效应，用STM可以人为操作表面。利用计算机控制STM的针尖作有规律的移动。在某些部位加大隧道电流的强度或使针尖顶端直接接触到样品的表面，在某些样品如石墨的平坦表面上刻出有规律的痕迹，形成某些有意义的图形和文字。,1989年9月28日，IBM阿尔马登研究中心的科学家、IBM院士DonaldMarkEigler成为历史上第一个控制和移动单个原子的人。为了进行单个分子和原子级别的视觉化和试验，Eigler自行设计、制造了低温、超高真空的扫描隧道显微镜(STM)。IBM科学与技术部副总裁评价说：“Eigler的成就是纳米科学与技术史最重要的突破之一。它所催生的研究将最终带领我们超越CMOS和摩尔定律，让我们用更少的能源处理全世界的海量数据。”人类迈向纳米技术的征途真正开始了。,实现单原子的操纵,世界上最小的IBM商标,35个氙原子移动到各自的位置,在镍金属表面组成了“IBM”三个字母,这三个字母加起来不到3纳米长。,由一个个铁原子在铜表面上围成的量子栅的STM图像,第一届国际纳米科技会议,纳米科技诞生的标志第一届国际纳米科技会议会址巴尔的摩1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开第二届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术（NanometerScaleScienceandTechnology）会议。会上正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物。这次会议标志着纳米科技正式诞生。,会上美、日、英等国提出了各国发展纳米科技计划。虽然只有半天的会议日程，但会议给人以深刻的印象：这个纳米小世界里大有文章！,采用纳米刻蚀写成的图案“NANO1”（图案中NANO代表纳米，“NANO1”代表第一届国际纳米科技会议）,1991年召开了我国首次“纳米科技发展战略研讨会”。中国科学院上海原子核研究所作了“面向21世纪的高新科技纳米科学技术”的主题报告。当时对纳米材料，国家科技部已经安排了基础研究重大项目，开展了研究，但对纳米科技的整体研究尚未安排国家级的计划。该次会议标志着我国真正启动了纳米科技研究。,1993年，中国科学院北京真空物理实验室也用STM系统操纵原子，成功写出“中国”二字；台湾科学家则用在石墨表面挖去原子的方式，绘制出一张“台湾省地图”，标志着中华民族开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,纳米技术将彻底改变传统的生产方式，改变目前的产品结构、产业结构，进而改变人们的生活方式，把人类的文明推向一个更高的阶段。纳米科技将对人类产生深远影响，甚至改变人们的传统思维方式和生活方式。纳米技术未来的应用将远超过计算机工业。70年代重视微米技术的国家如今都成了发达国家，现在重视纳米技术的国家，很有可能成为本世纪的先进国家。2010年，全球纳米技术的年产值已达到1.5万亿美元，到2014年，全球纳米产品市场规模将增至2.6万亿美元。我们正处在微米时代，即将迈入纳米时代。,纳米科技研究的重要意义,纳米科技研究的重要意义,纳米科技的受关注度升高，不仅仅是其尺度的缩小问题，实质是由纳米科技在推动人类社会产生巨大变革方面具有的重要意义所决定的。,在宏观领域和微观领域之间又诞生了一个新的领域，是一个交叉和边缘的领域，即介观领域。它将极大的丰富我们的认知世界，并给人类带来观念上的变革，这种影响绝不亚于信息社会和生物技术对人类的影响。,纳米科技促进人类认知的革命,介观层次中物质的性质会与宏观大块物质大不相同，具有自洁、催化、巨磁阻、高韧性等等的特殊性能。,纳米科技是人类实现可持续发展的保证,20世纪是大发展的年代，但也是对环境大破坏的年代，人类制造出成吨的钢铁，开山劈石，围海造田，这种粗放式的生产经营活动给人类留下无穷的祸患，水土流失，山洪暴发，环境污染，气候变暖。纳米技术是从原子、分子出发制造材料和产品，原料消耗少，对环境造成污染少，使产品微型化，变性能化及环境友好化。这将极大的节约资源和能源，这将是新的层次上为可持续发展理论变为现实。,纳米技术是信息技术和生物技术深入发展的基础，它本身是一个很大的新兴产业。,纳米科技将引发一场新的工业革命,有的专家预测，美国的IBM公司研制的氙原子开关，开关速度达到30.05ns(即200亿分之一秒)，这一突破性的发明可能使美国国会图书馆（总面积34万平方米）全部藏书（达1.3亿册）存储在一个直径0.3cm的硅片上。,纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为哪一门传统的学科领域。而现,代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，正是这样，纳米科技充满了原始创新的机会。,而一旦在这一领域探索过程中形成的理,论和概念在我们的生产、生活中得到广泛应用，将极大地丰富我们的认知世界，并给人类社会带来观念上的变革。,纳米科技充满了原始创新的机会,材料,化学,物理,生物,机械,比如，纳米绿色印刷制版技术，完全摒弃了化学成像的预涂感光层，因此版材不再怕光怕热；由于不需要曝光、冲洗等流程，因而杜绝了污染的产生，并且理论上是传统版材涂布成本的20%。比如，第二代生物燃料转化技术。路易斯安那理工大学最近开发出一种纳米技术，大大降低了第二代生物质燃料的生产成本。这一技术可以被应用到大规模商业生产中。,、,纳米科技也将促使传统产业“旧貌换新颜”,随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引发一场新的工业革命。比如，在纳米尺度上制造出的计算机的运算和存储能力，与目前微米技术下的计算机性能相比将呈指数倍提高，这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。同样，生命科技也面临着在纳米科技影响下的变革。所以，人们认为纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。美国新技术周刊曾指出：纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，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。,新的工业革命,国际纳米科技发展趋势,纳米科技广阔的市场前景，吸引了各国政府、科技界和产业界的广泛关注，迄今，发布国家级纳米科技发展规划的国家超过50个，呈现出国际竞争日趋激烈的态势。多个国家相继出台了各自的纳米技术发展战略和专项计划，经费投入大幅度持续增加。在短短20多年后，纳米技术已经成为具有远见卓识的政府重点支持的科技领域。2000年美国率先发布了“国家纳米技术计划”（NNI），2001年实际投入4.65亿美元，2005年10.81亿美元，2011年达17.6亿美元，截至2012年底，累计已投资约160亿美元。2011年11月30日，欧盟委员会对外公布了欧盟第八个科技框架计划地平线2020：研究与创新框架计划，这份科研计划的周期为7年，预计耗资约800亿欧元。中国政府对纳米的触角也非常灵敏，2003年，建立国家纳米科学中心；2012年，又成立了中国科学院北京纳米能源与系统研究所。,国际纳米科技发展的趋势,从应用导向的基础研究到应用研究再到技术转移转化一体化研究。例如美国尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究与应用开发紧密结合在一起，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。同时，整合各学科的研究力量，集中解决重大的科学挑战问题或孕育重大突破的应用技术。,专业平台支撑的纳米技术研发。纳米技术的特点是多学科交叉技术集成，以及基础研究和应用研发的集成。美国建立了14个国家级的纳米科技研究中心，法国建立了3个国家级实验室，加拿大在阿尔伯塔大学建设了国家纳米技术研究所，日本建立了12个纳米技术虚拟实验室，韩国建立了3个国家纳,米科技平台。,全球大型企业越来越重视纳米技术。国际商用机器公司、惠普公司、英特尔公司等，都在用纳米技术开发10纳米以下的器件和工艺。日本关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，建立了“关西纳米技术推进”专门组织，东丽、三菱、富士通等大公司更是斥巨资建立纳米技术研究所，开,发碳纳米材料吨级量产技术。,20年前，诺贝尔物理学奖获得者海因里希罗雷尔曾致信时任国家主席江泽民，对纳米技术作出预言：150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势，同样，未来的技术，将属于那些明智接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家。,中国纳米科技,“十一五”期间，中国在基础研究方面做出了一系列原创性的重要成果。发现了纳米金属铜的超延展性，以及通过纳米技术提高相关材料导电性的新方法；“拍摄”到能够清楚分辨碳原子间单键和双键的分子图