第三章4-纳米科技之研究现状1

第三章纳米科技之国内外研究进展,1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装体系、自上而下、自下而上。2、纳米材料与传统材料的差别。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。,难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。熟悉内容:了解纳米科学技术发展史。了解发展纳米科技的意义。纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。主要英文词汇:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.,3.4纳米技术在国内外的研究情况纳米技术是最具有市场应用潜力的新兴科学技术，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。下面介绍一些知名的纳米专家：,PeidongYang,杨培东（YangPeidong），国际顶尖的纳米材料学家，美国艺术与科学院院士。1971年8月出生在苏州相城区元和镇，1988年从木渎中学毕业后考入中国科学技术大学应用化学系，1993年赴美国哈佛大学求学，1997年获哈佛大学化学博士学位。1999年至今，先后任美国加州大学伯克利分校化学系助理教授、副教授、教授。2011年杨培东当选为汤森路透集团依据过去所发表研究论文的影响因子而确定的“全球顶尖100名化学家”，并且居于榜单前列第10位，同时入选同一标准的“顶尖100名材料科学家”榜单的首位。2012年4月18日，当选美国艺术与科学院院士。,在美国，杨培东教授在纳米导线方面的开创性研究，取得了令世界瞩目的成就，使一系列高技术设备显示出了广泛的应用前景，包括从微型发光二极管、激光器，到晶体管、太阳能板等广泛领域。,1998HierarchicallyOrderedOxides,2001Room-TemperatureUltravioletNanowireNanolasers,880-905oC，ZnO，铜格子覆盖模式,Au催化剂,纳米激光器,ZhongLin(ZL)Wang,Oursynthesisisbasedonthermalevaporationofoxidepowdersundercontrolledconditionswithoutthepresenceofcatalyst.Thedesiredoxidepowderswereplacedatthecenterofanaluminatubethatwasinsertedinahorizontaltubefurnace,wherethetemperature,pressure,andevaporationtimewerecontrolled.ThermalevaporationofZnOpowders(purity:99.99%;meltingpoint:1975C)at1400Cfor2hoursresultedinwhitewoollikeproductsthatformedinhighyieldonthesurfaceofthealuminaplate.,2001NanobeltsofSemiconductingOxides,2004,2005,纳米发电机王中林教授成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机，能达到1730的发电效率。王中林巧妙的利用竖直结构的利用氧化锌纳米线容易被弯曲的特性而在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。同时，竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应，在原子力显微镜的帮助下，研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置纳米发电机。,哈佛大学国际纳米技术领军人CharlesLieber教授高度评价说：“该工作是极其令人振奋的，因为它提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案，那就是如何来实现许多研究组所发明的纳米器件的供电问题在认识和解决该重大科学和技术问题上王教授充分发挥了他的原创性，那就是利用他所先创的氧化锌纳米线来实现把力能转换为电能”。,2006PiezoelectricNanogeneratorsBasedonZincOxideNanowireArrays,ZhongLinWang,高温热蒸发气相沉积的方法在氧化铝衬底上合成非常均匀规则的单晶纳米线2006年,2007年Direct-CurrentNanogeneratorDrivenbyUltrasonicWaves,2008年Microfibrenanowirehybridstructureforenergyscavenging,2009年,纳米发电机的产能机理是压电效应某些材料，例如氧化锌纳米线，能够在屈伸变化间产生电流的一种现象。这些纳米丝直径在100至800纳米之间，长度在100至500纳米之间。王中林团队将单根氧化锌纳米丝装入一个可弯曲聚合物基板，金属丝的两端各与一个电器插头相连，并有一端连一肖特基二极管以控制电流。然后将其中一个单线发电机贴到食指的关节区，或是将四个单线发电机相组合安装到一件穿在仓鼠身上的黄夹克里。仓鼠的跑动或抓挠，食指的拍敲叩动，都能使装有纳米金属丝的基板弯曲，从而产生微量交流电。,碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人壁虎飞檐走壁、倒挂金钟的能力让人类叹为观止。2008年10月美国戴顿大学教授戴黎明和佐治亚理工学院教授王中林、曲良体博士等合作，用纳米材料研制出一种仿生壁虎脚，它们既能在垂直的表面上轻松吸附重物，也能从不同角度轻松取下。这一最新成果发表科学杂志上。王中林指出，“这一新研究开启了纳米仿生领域的新篇章。”,（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片；（b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c）一个（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；（d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。,壁虎是一种攀爬型动物，能攀爬极平滑与垂直的表面，比如越过光滑的天花板。最近的研究揭示，壁虎的脚趾上附有数百万直立的微绒毛，每个微绒毛末梢都有纳米分支。当数百万这样的微绒毛与物体表面接触时，它们之间会产生强大的相互作用力，即范德华力，这种力的大小远远超过了壁虎自身的重量，因此，壁虎能够轻松自如地倒悬挂于天花板或墙壁表面。然而，壁虎不仅可以任意吸附在这些表面上，而且还能随意离开物体表面。,但是，为什么如此强的吸附力不会阻碍壁虎自如行走，科学家们目前还不清楚其中的原理。近年来，科学家们试图用纳米材料模拟壁虎的脚，但都局限于光滑物体的表面，且无法有效地控制强吸附和弱脱离的过程。戴黎明和王中林对这个问题产生了兴趣，在他们的指导下，曲良体创新地应用结构可控的直立型碳纳米管阵列，成功研制出具有强吸附和易脱离性能的碳纳米管仿生壁虎脚，使得仿生壁虎脚向实际应用迈出了最关键的一步。,利用低压化学气相沉积方法，将碳纳米管有机组成高密度、垂直取向的阵列膜，同时在其表面分布有任意取向的碳纳米管。每平方厘米的阵列面积可包含100亿个以上的直立碳纳米管，这种密度远远高于壁虎脚绒毛末梢的纳米分枝密度。更重要的是，这些在水平方向上任意取向的碳纳米管可通过与物体表面的相互作用而取向。,因此，一方面，当与物体表面接触时，在平行于表面的方向有更多接近线状接触的作用“面”，从而在沿接触表面的方向上产生更强的相互作用力，单位面积的吸附力几乎是壁虎脚所能产生力的10倍；另一方面，在垂直于物体表面的方向上，与表面接触的碳纳米管在外力的作用下可逐点脱离表面，吸附力因此大大减少，从而实现轻松脱吸附。,“更有趣的是，这些碳纳米管阵列仿生壁虎脚对接触物表面没有什么特殊要求，不仅能在玻璃等光滑的物体表面产生强吸附力，而且在其他粗糙或疏水物体的表面也一样适用。”王中林说，“如果目前的碳纳米管阵列尺寸可以扩大，那么手掌大(10厘米10厘米)的一块仿生纳米脚就可以在屋顶上悬挂一位100公斤重的人。”,在国内，许多科研院所、高等院校已经取得了一定的研究成果，主要如下：解思深院士定向纳米碳管阵列的合成1995年，在孔内含有纳米催化剂颗粒的、多孔的二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管，制备出大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管。管径均匀为20纳米，管间距为100纳米，管长约为100微米。于1996年在国际学术刊物“Science”上发表,被国内、外学者认为在碳纳米管定向（模板）生长，取得了重大的进展。,(A)Low-magnificationSEMimageofafilmcomposedofalignedcarbonnanotubes.Thisfilmwithathicknessof50mwasobtainedbygrowingfor2hours.(B)Tipstructureofthealignedtubes.,Science,274(1996)1701,A)High-magnificationSEMimageofcarbonnanotubesgrowingoutfromthemesoporousiron/silicasubstrateandforminganarray.Thesecarbonnanotubeshavediametersof30nm.Spacingsbetweentubesare100nm.Mostofthecarbonnanotubesareapproximatelyperpendiculartothesurfaceofthesilica.(B)SEMimageofthemesoporousiron/silicasubstratebeforecarbondeposition.,High-resolutionTEMimageofacarbonnanotube.,Verylongcarbonnanotubesxie1998,通过改性基体的方法，管长达2mm,0.5nmcarbonnanotube,利用电弧法得到小直径纳米碳管,氮化镓纳米棒的制备清华大学范守善教授等首次利用碳纳米管制备出直径340纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。该项成果成为1997年Science杂志评选出的十大科学突破之一。与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。,(A)TEMimageofthecarbonnanotubesusedasstartingmaterial.(B)TEMimageoftheGaNnanorodsthatwereproduced,SchematicprocessflowforthesynthesisofregulararraysoforientednanotubesonporoussiliconbycatalystpatterningandCVD,蚀刻技术,电子束蒸发,ABenzene-ThermalSyntheticRoutetoNanocrystallineGaNYiXie,YitaiQian,WenzhongWang,ShuyuanZhang,YuhengZhangAthermalreactionofLi3NandGaCl3inwhichbenzenewasusedasthesolventunderpressurehasbeencarriedoutforthepreparationof30-nanometerparticlesofgalliumnitride(GaN)at280C.Thistemperatureismuchlowerthanthatoftraditionalmethods,andtheyieldofGaNreached80%.苯热法,钱逸泰,用催化热解法制成纳米金刚石中国科学技术大学的钱逸泰和李亚栋等用催化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备出了金刚石纳米粉。被誉为从稻草到黄金。见下图，但很难重复。但是，同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距。,Transmissionelectronmicroscopyimageofsample(scalebar,1mm),(B)electrondiffractionpattern,and(C)SEMimage(scalebar,60mm).,DangerousMixtureAmethodforthesynthesisofdiamondbyreactionofsodiumwithcarbontetrachloridewasdescribedbyY.Li.Readersofthisreportshouldbeawarethatmixturesofsodiumandcarbontetrachlorideareexceedinglydangerous.Afterstandingforashortperiodoftime,thereactionproductsareshock-sensitiveandhighlyexplosive.JohnC.AngusChemicalEngineeringDepartment,CaseWesternReserveUniversity,Cleveland,OH44106-7217,USA,2000年，中科院沈阳金属所的卢柯研究员等发现纳米铜材料具有超延展性，在室温下可连续轧制，不经中间退火，塑性变形达5000。2006年担任美国科学（Science）周刊评审编辑.,电沉积技术,SuperplasticExtensibilityofNanocrystallineCopperatRoomTemperature,小角晶界,硬度比较,2004UltrahighStrengthandHighElectricalConductivityinCopper,脉冲电沉积技术,2009年RevealingtheMaximumStrengthinNanotwinnedCopper,coarse-grainedCu(cg-Cu),ultrafine-grainedCu(ufg-Cu),总之中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成