走进纳米世界 2

走进纳米世界,主要内容,纳米科技的意义及发展过程纳米材料的应用纳米与生物交叉学科研究状况碳纳米管,主要内容,概念、纳米科技的意义及发展过程纳米材料的应用纳米与生物交叉学科研究状况碳纳米管,纳米的基本概念,纳米是英文nanometre的音译.纳米源自拉丁语“NANO”,意为“矮小”.纳米是一种物理度量单位,是一长度单位.1纳米(1nm)=10-9m.,十的二十五次方米，大约十亿光年，十亿光年这个范围是我们人类目前已经观测到的宇宙的大致范围。,如果减小到十的二十一次方米，这个大约是十万光年，这个范围我们可以看到，银河系的全貌。,到十的十四次方米，是1000亿公里，可以看到太阳系,到十的七次方米就是一万公里，我们就可以分辨出地球的一部分，从航天飞机上可以看到。,到十的三次方米是一公里，从飞机上，我们看到分辨城市建筑物的排列，街区。,到十的一次方米，就是十米，我们就可以看得很清楚草坪上有一个人在睡觉。,我们把我们的目光聚焦那个人的手掌继续我们的缩小范围，到十的负二次方米是一个厘米，就可以看到他手上的汗毛孔了，皮肤表面的皱纹就可以看到；,再继续往下走，到十的负五次方米，是一百个微米，就可以分辨细胞，细胞大小在十几个微米。,到十的负七次方米，一看这么高度螺旋的结构就知道是染色体了。,看到这个规则的等距双螺旋结构，也就是常说的DNA。分子结构清晰可见。,再往下到十的负九次方米，这就是一个纳米，我们可以分辨出，DNA里边的分子结构,到十的负十次方米是一埃或一百个皮米，我们可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓，大家都知道，一个原子它是由原子核和电子构成的，外围的电子有一个大概的轮廓。,到十的负十三次方米，是一百个飞米，那么我们从整体上可以分辨出原子核，可以看出很多个球来，它们是带正电的质子和不带电的中子,往下到十的负十四次方米，是十个飞米，我们就可以看到原子核当中的质子和中子，原子核是由质子和中子组成,再往下到10-15米，是一个飞米，我们就可以分辨出组成质子和中子的夸克，6个夸克来组成原子核。再往下到10-16米是100个阿米，我们可以进一步看清夸克，一个夸克的大小在10-19米，就是0.1个阿米左右。,纳米就在我们身边,古代“文房四宝”中的墨水-用碳纳米微粒溶于水形成。蜜蜂、海龟不迷路-体内有纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。人体的牙齿、骨骼都是有含钙的羟基磷灰石(HAP)纳米微粒组成.,纳米科技的发展过程,著名的科学家爱因斯坦曾经说过：未来科技的发展，无非是继续向宏观世界和微观世界进军。宏观世界指的是人类的肉眼可以分辨出来的物体。当然极大至于宇宙，宇宙的深处。微观世界指的是原子分子，以及原子分子以下的那些层次。极小至于夸克。,1、在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，“毛估估”的做法说明了我们对这个世界认知的粗浅。,2、以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类认知推向毫米层次。,纳米科技的发展进程,3、第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一微米诞生了。4、随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次纳米层次，才会有更大的突破，比如将现在的笔记本电脑变得像手表一样小，或更小，可以把它固定在纺织品面料上。,纳米科技及其发展进程,正如牛顿力学只适用于低速的宏观物体，而高速运动，只能用相对论来解释;在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用，世界将从此是另一个模样。我们现在所熟悉的“原材料”将是小至纳米级的原子、分子。,纳米科技的发展进程,纳米结构的特性,1、纳米微粒的表面效应纳米粒子的表面原子与总原子数之比随纳米粒子的尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化。,2、纳米微粒的小尺寸效应随着颗粒的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变，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。,3、纳米微粒的量子效应量子效应是指随着纳米微粒尺寸的减小，纳米微粒的能隙加宽并发生“蓝移(blueshift)”的现象，即材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺寸之间的效应关系。,年，诺贝尔奖获得者、被认为继爱因斯坦之后最为睿智的理论物理学家理查得费因曼教授在加州理工大学发表了题为在底部还有很大空间的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从上而下”的，他提出：为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进行组装，达到我们的要求？物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。”,纳米科技及其发展进程,德国人跨出第一步,美国人拉开序幕,纳米科技发展的历程,年，德国科学家发明了纳米显微镜，即扫描隧道显微镜（）人类从此可以直观地观察到单个原子了。,看得见原子只是第一步！第二步就是要能够操纵它。年，美国加州实验室，将个氙原子排布成“”个字母，总面积只有几个平方纳米，人类第一次实现了操纵单个原子，纳米科技的序幕拉开了。,量子围栏,在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。,1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、“师”、绘出中国轮廓图。,主要内容,概念、纳米科技的意义及发展过程纳米材料的应用纳米与生物交叉学科研究状况碳纳米管,环境：处理汽车尾气,含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。,汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。,水处理,特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染废水，降解石油,纳米泵人造红细胞,它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气。,血液形态图,靶向给药,美国麻省理工学院的研究人员研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；,生物医药：纳米清洁工,科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。,日常生活,纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。,抗菌纳米服装：不用清洗,军事,吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。,主要内容,概念、纳米科技的意义及发展过程纳米材料的应用纳米与生物交叉学科研究状况碳纳米管,纳米与生物交叉学科研究状况,智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为类似于生物体缩具有的各种功能的“活”的材料。生物启发的理念：1、生命已通过进化的方式完成了智能操纵的所有过程2、从生物获得启示，实现微观与宏观的统一3、试图模仿生物特异功能的某一个侧面,植物叶表面的自清洁性粗糙结构荷叶效应,荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。,微米-纳米的分级复合结构,在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。,单一微米或纳米结构示意图（上）微米-纳米的分级复合结构示意图（下）,由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。,蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。,昆虫翅膀表面的自清洁性,RO,不滚动,蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直RO的两个方向，水滴不易滚离。,在水面行走的昆虫水黾,水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离。,水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应,在水面行走的昆虫水黾,水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片,水黾的腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（直径3um），刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构。,水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。,在水面行走的昆虫水黾,哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。,模仿水黾-新型超级浮力材料,模仿水黾“水上漂”功夫的机器人,在墙壁上行走的动物壁虎,壁虎的每只脚底长着大约50万根极细的刚毛（长100um)，刚毛末端又有约4001000根更细小的分支。,微米级阵列刚毛单根刚毛单根刚毛末端的放大,壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积（范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生的一种微弱的电磁引力）。壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。,在墙壁上行走的动物壁虎,仿生应用-仿生壁虎脚利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成,（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。,2010年8月特殊材料制成的粘性手套已在机器壁虎上试验成功,碟中谍4中汤姆克鲁斯戴上“壁虎手套”攀爬迪拜摩天大楼,鲨鱼皮的微纳米结构与减阻效应,Ball,p.Nature400,507(1999),主要内容,概念、纳米科技的意义及发展过程纳米材料的应用纳米与生物交叉学科研究状况碳纳米管,二、纳米碳管,原始碳家族,C60,C70,C50,富勒烯,1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(SumioIijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。,碳纳米管,碳纳米管分类,1)单壁碳纳米管：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.753nm和150m。又称富勒管,2)多壁碳纳米管：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从250不等，层间距为0.340.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为230nm和0.150m。,碳纳米管的独特性质,1)力学性能碳纳米管的抗拉强度达到50200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。2)电学性能由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。3)热学性能一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。4)储氢性能碳纳米管的中空结构,以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。,碳纳米管的应用前景,超级电容器:碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器即可用作电容器也可作为一种能量存储装置。2)碳纳米管复合材料:基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。3)电磁干扰屏蔽材料及隐形材料:由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点,是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。4)作为混纺材料:碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹、保暖、隐身的军用装备。,5)储氢材料:碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能,理论上单壁碳纳米管的储氢能力在10%以