纳米材料介绍

物理科学与技术学院方鹏飞,材料科学,第五章纳米材料,5.1纳米和纳米技术纳米（Nanometer）又称毫微米，是一种长度单位.把1米分成10亿份,每一份就是1纳米（1nm=10-9m）。1982年,一种奇特的显微镜(扫描隧道显微镜)发明后,便诞生了一门以0.1至100纳米尺度空间为研究对象的前沿学科,也就是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新学科,它就是纳米科技。,蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围光合作用在“纳米车间”进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”纳米结构是生命现象中基本的东西,纳米技术的发展历史1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能够移动原子，那么这将给科学带来什么！”对纳米科技的预言人们常说的小尺寸大世界。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议；,1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开；1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议；1996年在美国夏威夷召开第三届国际会议；1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议；2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。,纳米这项新技术的诞生,其用途之广,涉及领域之多,前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。,在未来的20至30年内,纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻影响:一、社会生产途径；二、人类生活方式；三、人们思维模式。所以,纳米技术的出现,标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶。,5.1.1纳米电子学电子器件的集成度已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件。开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的100010000分之一。,基于利用STM对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！,1998年IBM公司用原子排成的世界上最小的广告-IBM,5.1.2纳米材料学科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。,硅表面重构的原子照片,纳米陶瓷材料能够弯曲180度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。,具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，,不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。,碳纳米管,太空升降机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同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。纳米壁挂电视用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。纳米固体燃料实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。纳米隐身飞机在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。纳米卫星、微型飞船和原子精密度计算机,都将一一成为现实。,5.1.3纳米机械学车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。,分子自组装,纳米齿轮,纳米机械产品用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型车床,可望钻进核电站管道系统检查裂缝;只有蜜蜂大小且能升空的直升机;眼睛几乎看不见的发动机;提供化工使用的火柴盒大小的反应器。,纳米机器人机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。,纳米算盘,5.1.4纳米生物学生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。,纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。,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。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作,纳米机器人在疏通血管,铜表面原子的重构：48个铁原子构成围栏，內部形成电子驻波。,5.2国际纳米技术发展的态势,美国启动纳米技术促进计划,克林顿说：“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划”。,科学技术主席助理（1984年4月）NealLane说：“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程。”,威廉姆斯说：“纳米技术对经济社会的影响将超过计算机”,美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发。2010年:80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料本世纪前10年几个关键领域之一制定了“国家纳米技术倡议”(NNI):纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料,日本和德国出台了相应的研究计划,日本政府和国会作出决定：要向抓微电子那样抓纳米技术，把发展纳米技术作为21世纪前20年立国之本。,德国：纳米技术是21世纪高科技的制高点。2000年布署了跨部门的六大中心,发展纳米技术.,1962年,久保(Kubo):久保理论日本国会:21世纪前20年的立国之本日本著名大企业:纳米实用化技术的计划三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气,其他国家的纳米科技发展概况,印度：要向抓软件产业那样，快速发展纳米技术。,韩国和瑞典：2001年对纳米科技投入增长最快的国家。,纳米技术是新世纪的主导技术,什么是主导技术？,工业革命以来已经历了三次主导技术，引发了三次工业革命,科学革命,技术革命,产业革命,第一次产业革命(1734-1834）,主导技术：蒸汽机动力变革，热能、机械能科学基础：牛顿力学、热力学、能量转化原理,第二次产业革命（1835-1914）,科学基础：电的发现电磁理论主导技术：电气化技术(发电机和电动机、电力传输、无线电通讯),第三次产业革命（1945-2010？）,科学基础：X射线的发现放射线的发现半导体的发现主导技术：微米技术微电子技术,三次产业革命的启示:,1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；2.主导技术经历了孕育期生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年；3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。,为什么纳米技术会引发新的产业革命,科学基础,中间领域的重大发现,科学框架的建立,纳米技术的产业革命,纳米科学的内涵,制高点,基础,基础,纳米技术新工业革命的主导技术,纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术。,20世纪,高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB,计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍,21世纪,DNA芯片,节省能源利用资源优化环境,新工业革命,纳米技术,推动GDP快速增长,对关键问题的影响力,中国占多少份额,市场分析,投资情况,印度：加大投入发展纳米产业,1997年2000年2002年美国1.934.985.19日本1.984.25德国1.913.74.3,单位：亿美元,名人预测,5.3纳米材料的特性,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜;超晶格等。,实心的纳米棒、纳米线、量子线,因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。纳米材料大部分都是用人工研究、制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。,1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。很快形成了世界性的“纳米热”。大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。,第二阶段(1994年前)人们关注的热点是设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，复合纳米薄膜(0-2复合)。第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。,朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”,DNA开关,纳米材料的特性A.特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。,B.特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如,在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加l倍。,C.特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2*10-2微米的磁性氧化物颗粒。当颗粒尺寸减小到2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6*10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,D.特殊的力学性质由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。,E.特殊的电学性质由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓的单电子器件。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。,纳米材料的应用,能源领域石油、煤等不可再生资源环保领域解决水污染的问题解决空气污染的问题微电子纳米电子器件、纳米线、纳米传感器信息领域光纤、发光器件,纳米材料的应用,功能性涂料、薄膜防静电涂料特殊视觉涂料紫外线吸收涂层耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层机械纳米结构单元和纳米机械结构陶瓷增强、增韧、助烧结,纳米材料的应用,化学化工催化剂、助催化剂、阻燃剂镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大塑料和橡胶制品成型剂、补强剂、抗老化剂OA领域复印机和激光打印机的墨粉喷墨打印机墨水、高级墨水,纳米材料的应用,纳米药物磁性纳米粒子药物卫生保健品防晒霜纺织品反射红外线型化纤杀菌灭菌除臭型化纤,纳米材料的应用,纳米探测系统纳米材料提高武器打击纳米材料提高防护能力纳米机械系统制造的小型机器人雷达隐身技术美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层,纳米领带,卫浴产品:耀眼的成果,荷叶效应,高强度汽车材料,高效环保阻燃材料,阻隔性材料,一、主流健康，发展势头良好,2001年,总投资：1亿元,注册资金：60亿元,1995,2000,0,60,120,180,240,300,360,1998,公司数量,年份,2001,四、对我国纳米技术产业现状的评价,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,1993年，中科院操纵原子写字,中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管中国科技大学:氮化镓粉体清华大学:氮化镓纳米棒中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”,中科院化冶所“七五攻关”:纳米碳化硅“八五863”:纳米阻燃剂中科院化学所纳米领带超双疏性界面材料防水、防油、防污、防褪色纳米聚丙烯管材高强度、抑菌功能,全国范围三百多家纳米企业以“纳米”注册的企业近百家数十条纳米材料生产线资金约百亿元,存在的问题,1.三个不够科学内涵宣传的不够全面宣传纳米科技领域不够创新难度宣传的不够2.对纳米技术发展的阶段认识得不够,21世纪，高科技产业如信息、生物技术、资源环境、新型能源、宇航、海洋和新材料等领域都面临着新的挑战，纳米技术的切入，使这些高科技领域的发展出现新的机遇，蕴藏着巨大的潜力。,机遇,信息产业,单电子器件,磁电子器件,过滤器截止器谐振器微电容微电极,自旋电子器件,共振隧穿器件,光电子器件,巨磁电阻器件