第一章-纳米材料概述

纳米材料和技术,昆明理工大学陶静梅,第一章纳米材料概述,引言纳米材料是材料科学领域发展的重要成果之一，人们希望通过运用纳米技术制备比传统材料体积更小、质量更轻、性能更好的材料。纳米技术涉及了一个综合的交叉领域，需要通过物理、化学、材料、生物、机械和电子工程等领域的科学家的共同努力来实现。,第一章纳米材料概述,纳米是连接原子、分子和宏观世界的桥梁，当材料的结构单元在纳米尺度以下时，表现出了不同于宏观体材料的特殊性质，纳米尺度的结构对材料的特性起到了决定性的作用，也扩大了材料的应用范围。纳米科技目前还处在起步和发展的阶段，远远没有达到成熟，仍旧需要大量深入的研究工作，纳米技术在人们日常的生产和生活中的应用也才刚刚开始，实用化和产业化尚需解决大量的科学和工程问题。,第一章纳米材料概述,纳米有多小？狭义上的纳米仅仅是一般用于原子和分子尺度下的一个长度测量单位，1纳米（nm）等于10-9m，即1m的十亿分之一，是微观尺度的核心。,第一章纳米材料概述,第一章纳米材料概述,第一章纳米材料概述,一、自然界中的纳米结构与纳米材料,其实我们生活的自然环境中早就存在纳米的现象。,比方说：莲叶表面不沾污泥，或者是鸭子在水中游泳，但翅膀并不透水。科学家研究后，才发现这些物质的表面结构都呈纳米尺寸。,第一章纳米材料概述,1、自我洁净的白莲花效应莲花花面是由一层极细致的表面所组成，此表面即使放大千百倍也看不见任何细孔，因为莲花的表面结构与粗糙度为纳米尺寸大小，所以不易沾惹尘埃。,第一章纳米材料概述,第一章纳米材料概述,左图为非纳米结构的表面，水珠滚动时无法将灰尘带走,右图为具有纳米结构的表面，水珠滚动时可将灰尘带走,第一章纳米材料概述,2、昆虫翅膀的自洁作用飞行中的昆虫必须保持翅膀的平衡，即使上面沾有一点点灰尘或水滴，也会因重量不平衡而造成飞行上的问题。尤其是一些翅膀较大昆虫，因为无法以腿部进行清洁，所以在翅膀表面多具有纳米结构，可减少与污垢的接触面，水珠也较不易停留在翅膀上。,第一章纳米材料概述,3、漆黑的飞蛾眼睛飞蛾的眼睛看起来异常漆黑而且不会反光，所以在夜间飞行时，不容易为敌人所察觉。这是因为在其角膜表面具有纳米级的微小突起构造，由于比光线的波长还小，所以反光性极低，而且似乎可以吸收来自四面八方的光线。,第一章纳米材料概述,4、五彩缤纷的蝴蝶翅膀某些生物的颜色特别缤纷灿烂，例如甲壳虫、鱼鳞及蝴蝶翅膀。科学家发现这与光子晶体（photoniccrystal）的显微结构有关。所谓“光子晶体”是指物质呈特殊的周期性排列，可以反射特定波长的可见光。蝴蝶翅膀具有这种类似光子晶体的网状结构，其周期在数百个纳米左右，可反射部分颜色的光，其余颜色的光则会穿透过去，而且颜色会随观看角度的不同而改变。,第一章纳米材料概述,5、会回家的动物许多昆虫及动物都具有辨识方向的能力，即使离家千里，终能找到回家之路，例如蚂蚁、蜜蜂、鸽子和鲑鱼等。科学家发现，这些生物体内都存有纳米级的磁性粒子，这些纳米磁性粒子即为磁场感应器，也像是个生物磁罗盘，使这类生物在地磁场导航下能辨识方向，找到回家的路。,第一章纳米材料概述,6、纳米与人体1纳米大约等于头发直径的80000分之一1個DNA直径为2纳米人体细胞的细胞膜厚约在7-10纳米之间人类小肠壁上布满折皱及绒毛，绒毛上又覆盖了一层微绒毛，直径约90-100纳米，使吸收效率提高了600倍（0.5m2300m2）人类和动物的牙齿坚硬无比，能承受极大且不断咀嚼的磨损和压力，原因是在牙齿的外表排列着纳米尺寸的微小晶体。,第一章纳米材料概述,二、纳米与工业革命第四次工业革命在现代社会积极追求轻、薄、短、小的科技产品时也同时要求其精确度、灵敏度、传输速度、处理速度与多功能性。但传统理论与现有技术发展出来的现代科技，已逐渐无法满足上述要求。在诸多社会、文化、经济、政治背景下，第四次工业革命蓄势待发。这一次将以“纳米”为主轴，故称为“纳米化”的革命。在这波工业革命中，过去古典科学理论将被打破，个学术领域藩篱也将被拆除，各科技领域将重新整合。,第一章纳米材料概述,1、纳米与民生化纳米纤维大多数有机的抗菌除臭剂，有耐热低、挥发性高及容易分解的缺点，故无机抗菌除臭剂因应而生。无机二氧化钛光触媒经紫外线照射，产生电子与电洞后，再与水及氧反应形成具有强大氧化与还原能力的自由基，可杀死病菌、分解臭味。当二氧化钛加入纤维时，可消除恼人异味并防止病菌滋长。,第一章纳米材料概述,2、纳米涂料及化妆品纳米粉体不易散射及反射光线，可大幅提高光穿透性。透明的纳米颜料可应用于高画质的喷墨彩色列印，并在化妆品业界广泛使用。无机纳米材料在涂料中均匀分散时，产生气阻作用，可有效减缓金属氧化或腐蚀速度，成为优良防腐涂料。利用纳米颗粒吸收红外线或雷达电磁波的特性，可使涂覆此种隐形涂料的物体，在侦测器下不被侦查到。,第一章纳米材料概述,3、环保及触媒利用光触媒的超亲水性效应，可制成自洁性材料，不需额外人工清洗，仅以雨水便可常保大厦外墙及玻璃洁净。纳米颗粒的高比表面积及高化学活性，成为化学反应中的优良催化剂，可大幅提升化工反应中的生成物转化率及选择率，提高产量并减少副产物生成，有效降低环境污染，而达到清洁效能。,第一章纳米材料概述,4、纳米与光电太阳能电池太阳能电池是将光转换成电，属于既廉价且干净的能源，但过去受限于光电转换效率低及元件价格高，使用并不普及。然而使用纳米二氧化钛的薄膜型太阳能电池，可大幅简化制作程序，降低成本。纳米粒子上所吸附的感光性染料有高光吸收率，且纳米粒子有高速传输电子及避免电子与电洞结合的特性，故可大幅提升光电转换效率。,第一章纳米材料概述,5、纳米机电纳米转子由美国加州伯克利大学物理系教授AlexZettl等人设计及制造的纳米转子（nano-rator），比人的头发直径小2000倍，是世界上最小的转子。该纳米转子以长约300纳米的长方形金箔为叶片，架设在以多壁式纳米碳管构成的转轴上，轴的两端接上由金构成的电极，整个元件通过电极固定在硅晶上。透过电极及碳管间施加电压，可使碳管最外层分子受力做旋转，架在其上的叶片也随之转动。这个奇妙的纳米元件可应用于高速切换及导引信号的反射镜，及利用叶片共振频率作为化学感应器。,第一章纳米材料概述,6、纳米与生物科技基因工程将好的DNA片段插入细胞原有的DNA内，使细胞展现所希望的特性（基因疗法、动植物品种改良）。以往科学家多利用病毒将所欲的DNA片段送入细胞核内，但缺点是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究将DNA片段压缩装进高分子微粒中（25纳米以下），可明显提高改造成功率，却没有毒性或免疫反应，有效性与安全性大为改善。,第一章纳米材料概述,7、纳米与医学药物传输纳米药物的研究以癌症治疗为主。癌细胞周围会伴随很多新生的微血管，但因结构不够完整而有许多300600纳米的小孔。科学家将抗癌药物包裹在100nm左右的微粒中，其大小可穿透癌细胞旁的微血管，并进入癌细胞内释放出药物，但无法越过正常细胞的微血管（孔隙在80纳米以下），故不会对正常细胞产生毒性。,第一章纳米材料概述,三、纳米材料的定义与分类1、定义纳米材料表示了该类物质材料的结构单元或其在某一维度的尺寸在纳米级别，一般认为纳米级别的范围在1-100nm内。当物质临界尺度低于100nm时，表现出了不同于传统宏观材料的新颖的特性及功能。,第一章纳米材料概述,2、纳米材料的分类为了正确的理解纳米材料，对其进行合理的分类是必要的。最典型的分类方法：根据纳米材料的维数进行分类。0-维（纳米颗粒）1-维（纳米线、纳米管、纳米棒）2-维（纳米薄膜、纳米涂层）3-维（纳米块体）其中数字代表不在纳米尺度级别（100nm）的维数。,第一章纳米材料概述,0-维纳米材料：指该类材料在所有维度上的尺寸都在纳米尺度范围内。最具有代表性的0-维纳米材料是纳米颗粒。纳米颗粒既可以是非晶体材料，也可以是晶体材料；既可以是单晶体，也可以是多晶体；可以由一种或多种元素组成；可以具有不同的形状和结构；可以单独存在，也可以存在于某一基体内；可以是金属、陶瓷或高分子材料。,第一章纳米材料概述,1-维纳米材料：指该类材料有1个维度的尺寸超过了纳米尺度的范围，即材料呈现出针状的外形。1-维纳米材料包括纳米线、纳米管和纳米棒。1-维纳米材料同样既可以是非晶体，也可以是晶体材料；既可以是单晶体，也可以是多晶体；可以由同一种或多种化学元素构成；可以单独存在，或镶嵌于另一基体中；可以是金属、陶瓷或高分子材料。,第一章纳米材料概述,2-维纳米材料：指该类材料有2个维度的尺寸超过了纳米尺度的范围，因此2-维纳米材料具有层片状外形。2-维纳米材料包括纳米薄膜、纳米片层和纳米涂层。这类纳米材料可以是非晶体或晶体材料；可以由同一种或多种化学元素组成；可作为单层或多层结构使用；可以沉积于某一基体表面；可以是金属、陶瓷或高分子材料。,第一章纳米材料概述,3-维纳米材料：通常也称为块体纳米材料，这类材料在任何维度的尺寸都超过了纳米尺度范围，即任何方向的尺寸都大于100nm。这类材料之所还称之为纳米材料是因为：尽管其外形尺寸超过了纳米尺度范围，但它们具有纳米晶结构或包含纳米尺度的结构特征。纳米晶结构：块体纳米材料可以由不同取向的、具有纳米尺寸的晶粒组成。纳米尺度的结构特征：3-维纳米材料