陕西科技大学材料学院纳米材料绪论1

纳米材料及工艺,林营linyingTel纳米弹力毛巾,汽车顶部玻璃涂层,溴原子,血细胞,带你进入奇妙的纳米世界,绪论,1985年，科学家克罗托、斯麦利等人在研究太空深处的碳元素时，发现有一种碳分子由60个碳原子组成。它的对称性极高，而且它比其他碳分子更强也更稳定。其分子模型与那个已在绿茵场滚动了多年，由12块黑色五边形与20块白色六边形拼合而成的足球竟然毫无二致。因此当斯麦利等人打电话给美国数学会主席告知这一信息时，这位主席竟惊讶地说：你们发现的是一个足球啊！克罗托在英国自然杂志发表第一篇关于C60论文时，索性就用一张安放在得克萨斯草坪上的足球照片作为C60的分子模型。这种碳分子被称为布基球，又叫富勒烯，是继石墨、金刚石之后发现的纯碳的第三种独立形态。,用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米。,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。,（富勒烯）,有人预言，处于2l世纪高新技术前沿和核心地位的纳米科技所引起的世界性技术革命和产业革命对社会经济、政治、国防等所产生的冲击，将比以往的技术革命时代带来的影响更为巨大。纳米科技将会掀起新一轮的技术浪潮，领导下一场工业革命。人类将进入一个新的时代-纳米科技时代。,“麻雀”卫星“蚊子”导弹“苍蝇”飞机“蚂蚁士兵”,在纳米科技时代已经出现：,由“苍蝇间碟”说起,20世纪90年代初的一天，美国驻某国大使馆一份重要的情报突然失密。这是一份涉及美国安全的核心机密情报，美国中央情报局的主管首脑一听，深感事态严重，焦急万分，连夜派出了由高级特工约翰逊率领的一个精悍的小组飞赴该国。,从微型电台的神奇功能，人们已意识并发现：未来战场上，应用纳米(10-9米)技术的武器装备定会大显神通，并将有可能改变今后战争的面貌，使战场变得面目全非。,美国一研究所在“杀人蜂”背后贴上微芯片和红外发射器以追踪监视,纳米材料导论，曹茂盛关长斌等，哈尔滨工业大学出版社纳米材料和纳米结构，张立德牟季美，科学出版社纳米技术与应用，顾宁付德刚等，人民邮电出版社王世敏主编，纳米材料制备技术，化学工业出版社，2002。师昌绪主编，材料科学与工程手册，化学工业出版社，2004。曹茂盛，超微颗粒制备科学与技术，哈尔滨工业出版社，1998,参考书,相关的网站:,1.美国国家纳米行动计划2.日本纳米计划http:/www.jst.go.jp/eratohttp:/www.iijnet.or.jp/MMC3.德国纳米计划http:/www.nanonet.de/english/default.htm4.英国纳米行动计划5.世界纳米结构科学和技术调查报告/nano/,中国”863”,”973”,国家自然科学基金,1.纳米科技的基本概念和内涵,2纳米新科技的兴起与重要进展,3.纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史,4.纳米材料的应用,6.中国纳米技术进展,5.纳米材料在高科技中的地位及潜在应用,绪论内容,1.纳米科技的基本概念和内涵,纳米科学技术(Nano-ST)：是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，基本涵义：在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质的技术。具体可理解为：研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能在实际应用中的技术问题的科学技术。,在纳米电子学中，电阻的概念已不是欧姆定律；在纳米力学中，机械性质如弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念亦有质的变化作为纳米科技中的一个重要领域的纳米加工学，也将以崭新的方式进行原子的操纵和纳米尺度的加工以及进行纳米器件的加工和组装，并进一步研究器件的特性及运行机理。,当粒子尺度达到纳米级，许多性质将发生改变：,对这些新奇的特性的研究，使得人们必须重新认识和定义现有的物理理论和规律，这必将导致新概念的引入和新规律的建立。,(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米加工学；(7)纳米力学,扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,STM,)在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上,纳米科技主要包括：,这7个部分相对独立,这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在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，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。,为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。,1982年发明，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GBinnig和HRoher发明了扫描隧道显微镜。,用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记录下来,基本原理：基于量子隧道效应和扫描,STM针尖,科学家使用STM观测物质的纳米结构,由于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发展。,应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定性的作用，因此在纳米科技的时代，纳米电子学也将继续对人类社会的发展起更大的作用因此，在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米电子学的研究，特别是利用STM的相关技术进行超高密度信息存储的研究。,纳米电子学是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。,70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。,2纳米新科技的兴起与重要进展,（1）纳米科技的兴起,1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费因曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。,在底部还有很大空间ThereisPlentyofRoomattheBottom.,EricDrexlerOnetimestudentofFeynman1986book“EnginesofCreation”造物引擎,1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现了原子三维空间立体搬迁,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。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；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。,2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。,2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。,这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。,到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。,日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；,德国专门建立纳米技术研究网；,美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。,德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钍，在室温下显示良好的韧性，在180经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”,纳米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面都表现出明显不同于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出广阔的应用前景,(2)近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣。,纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列重大问题上起到十分重要的作用。,(3)作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在90年代初露头角，面向21世纪，它的发展前途方兴未艾,纳米科技使基因工程变得更加可控：人们可根据自己的需要，制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革；人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类，纳米科技的出现很可能为解决人类由于人口迅速增长所面临刻不容缓的问题提供新途径。,纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决,(4)纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向,目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它取得的成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们的思考。,医生可能应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物。,也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗,药物也可以制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高医疗效果，减少副作用,(5)纳米材料研究的几个重要时间（事件）,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(NanoST)在会上，各国科学家们对纳米科技(主要包括：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料学)的前沿领域和发展趋势进行了讨论和展望，并决定出版三种杂志:纳米结构材料纳米生物学纳米技术,此次会议标志着纳米科学技术的正式诞生,有关纳米材料的会议，每两年召开一次，首届，在墨西哥召开，第二届，1994年在德国斯田加特第三届，在美国夏威夷召开的第四届，1998年，在瑞典斯德哥尔摩第五届，2000年，在日本仙台2002年和2004年西班牙。,3.纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史,纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。,“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1100nm范围实际上，对这一范围的材料的研究还更早一些，在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体,现在，广义地，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：(i)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；(ii)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；(iii)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜,自然界的纳米材料：天体的陨石碎片；人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成；海洋中非生命的亚微米的粒子(0.41微米)具有很丰富的浓度，约为106107个/ml；最近，威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是亚微米粒子的3倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息,蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的最近，英国科学家发现，蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向,蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G代表磁性颗粒,当蜜蜂靠近自己的蜂房时，它们就把周围环境的图像储存起来当它们外出采蜜归来时，就启动这种记忆，实质上就是把自己储存的图像与所看到的图像进行对比和移动，直到这两个图像完全相一致时，它们就明白自己又回到家了,研究生物体内的纳米颗粒对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的,我们知道海龟是世界上稀有珍贵的动物，美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期研究，发现了一个十分有趣的现象：这就是海龟通常在佛罗里达的海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一边靠近英国的小岛附近的海域生活，从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要56年的时间，这样准确无误地航行靠什么导航(为什么海龟迁移的路线总是顺时针的)?,真正利用磁性纳米微粒导航，进行几万公里长途跋涉的是大海龟,最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移这些生动的事例告诉人们，研究纳米微粒对研究自然界的生物也是十分重要的，同时还可以根据生物体内的纳米微粒为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益的依据，这也是纳米科学研究的重要内容。,螃蟹的进化：螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒，就像是几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。,人工制备纳米材料的历史,1）1000多年前中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早的纳米材料；,2）中国古代铜镜表面的防锈层经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜但当时人们并不知道这是由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成,3）约1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们就开始了对于直径为1-100nm的粒子系统即所谓胶体(colloid)的研究，是当时的化学家并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次，而只是从化学的角度作为宏观体系的中间环节进行研究,4）1962年，久保(Kubo)及其合作者针对金屑超微粒子的研究，提出了著名的久保理论，也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论，从而推动了实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索。,6)1970年，江崎与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念这是按照一定的规则将一定厚度的纳米薄层人工堆积起来的结构随后利用分子束外延技术，张立纲和江崎等制备了能隙大小不同的半导体多层膜，观察到了极其丰富的物理效应。,5）1963年Uyeda及其合作者用气体冷凝法，通过在高纯的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究,7)20世纪70年代末到20世纪80年代初，对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。,8)1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。随后发现CaF2纳米离子晶体和TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径,9)1985年，Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇质谱分析发现C60和C70的新的谱线，而C60具有高稳定性的新奇结构，即由60个碳原子组成封闭的足球型，它是由32面体构成，其中有20个六边形和12个五边形所构成这种结构与常规的碳的同素异构体金刚石结构和石墨层状结构完全不同，而且物理性质也很奇特纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当的掺杂成分可以使C60固体成为超导体Hebard等首先发现了K3C60为Tc18K的超导体；随后改变掺杂元素，获得了Tc更高的超导体：Cs2RbC60为33K；Rb2.7Ti2.2C60为45K这些结果表明，捧杂C60的Tc之高仅次于铜氧化物超导体的Tc;,10）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分支公布于世这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生从此以后，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和重视，很快形成了世界性的“纳米热”。同年，发现纳米颗粒硅和多孔硅在室温下的光致可见光发光现象。,11）1994年在美国波士顿召开的MRS（材料研究学会）秋季会议上正式提出纳米材料工程它是纳米材料研究的新领域，是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，开始形成了基础研究和应用研究并行发展的新局面随后，纳米材料的研究内涵不断扩大，这方面的理论和实验研究都十分活跃,现在，人们关注纳米尺度颗粒、原子团簇，纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米电缆和纳米组装体系纳米组装