化学前沿-纳米材料与化学-

化学前沿(纳米材料和化学)、纳米材料和化学、序言1。纳米技术是什么？纳米科学技术是研究原子、分子和其他类型物质在千万分之一米(10-8米)到亿分之一米(10-9米)之间的运动和变化的学科；同时在这个尺度上操纵和加工原子和分子，称为纳米技术。作为21世纪科技产业革命最重要的内容之一，纳米技术可以与产业革命相比较，是包括物理、化学、生物学、材料科学、电子在内的高度交叉的综合性学科。因为除了以观测、分析、研究为主线的基础领域外，还有以纳米工程和加工学为主线的技术科学，所以纳米科学和技术也是将尖端科学和尖端技术结合在一起的完美体系。其中纳米材料和技术是纳米科学技术领域中最基础、最具活力、研究意义最丰富的领域。图1.1纳米技术罩，2，纳米材料，粒子大小为纳米的材料称为纳米粒子大小纳米粒子。如果是由纳米粒子凝聚而成的块、薄膜多层膜和纤维，就称为纳米结构材料。图2.1纳米材料概念图标，图1.1纳米材料技术标记，图2.1纳米材料概念图标，图1.1纳米技术标记，图1.2纳米著名人士引用，图1.2纳米系统著名人士引用，粒子大小为纳米的材料是纳米粒子的粒子型纳米粒子型。如果是由纳米粒子凝聚而成的块、薄膜多层膜和纤维，就称为纳米结构材料。纳米材料的自然历史大爆炸后的冷却期，原始凝聚材料形成了早期恒星的纳米结构。大自然进化成了构成地球生物的许多纳米结构贝类和动物的骨骼。原始人类发现火的时候，他们制造了一个烟球，一种“人工纳米材料”。西汉铜镜和黑色漆鼓，徽州墨水，漆器。纳米材料科学史richardwynman(latranobellaureate)(1959): icanhardlydoubthat whenwehavcomecontrolofthearrangmenofthat图2.3费曼引用，纳米材料的自然史大爆炸后的冷却期，当时原始凝聚物质形成了早期恒星的纳米结构。大自然进化成了构成地球生物的许多纳米结构贝类和动物的骨骼。原始人类发现火的时候，他们制造了一个烟球，一种“人工纳米材料”。西汉铜镜和黑色漆鼓，徽州墨水，漆器。图2.2自然界中的纳米材料，3 .纳米材料的奇特特性，1 .多种结构和形式(以最受欢迎的纳米材料-碳纳米管为例)，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图3.1多种碳纳米材料，图1多种结构和形式(以最受欢迎的纳米材料-碳纳米管为例)碳纳米管的形成和结构，图3.1多种碳纳米材料，2。纳米材料的奇特物理特性机械特性-提高材料的强度、塑性和韧性，图3.2纳米铜的超塑性，图3.3碳纳米管的强度测量，图3.3碳纳米管的强度测量，光学特性：宽带强吸收蓝色移动现象纳米粒子发光丁达尔拉曼散射变化，图3.5纳米材料的光学特性，3。提高催化性能比表面积大，提高催化吸附反应物的能力。吸收光谱吸收带边缘蓝移位及提高半导体催化剂光催化活性。粒子大小通常小于空间电荷层的厚度，从而减少电子从内部扩散到表面的时间，提高光电电荷分离效率。疑问：由于纳米材料具有如此奇特、优秀的特性，费因曼从20世纪60年代开始提出了纳米技术的愿景，为什么到了今天，纳米技术真的会爆炸式进化？这主要有两个原因，一方面，纳米材料的理论基础在近几十年没有好转，另一方面，由于SPM等相关检测技术的发展，我们在原子量级实际观察和操作物质，萨那诺材料的理论基础和技术基础1。了解纳米材料的理论基础打破纳米材料结构模型的电子能级的不连续性kubo理论量子尺寸效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应，纳米材料的结构模型纳米固体是两个组元素粒子组元素界面组元素界面的结构模型Gleiter:气体模型Siegel:序模型各种结构-序，短序，无序结构，图4.纳米材料的理论基础打破电子能级的不连续性kubo理论量子尺寸效应和结果理解；表面原子特性：(1)原子配位不满意；(2)多悬浮在空中的键；(1)高表面能量；高表面活动启动性能：(1)表面原子运输配置的变化催化剂(2)纳米材料检测手段.基于技术的晶体结构分析XRD(X-raydiffraction)X射线衍射仪Xie le公式：b=0.89/DCS微结构和形态分析tem(透射电镜)纳米材料的检测手段-基于技术的表面成分分析AES auger电子能谱分析FIM场离子显微镜和原子探针XPSX线电子光谱IMF离子探针，5纳米材料与化学的关系，1 .纳米材料为化学研究打开了新的层次2 .化学是纳米材料的丰富研究对象，光导纤维，1。纳米材料为化学研究打开了新的化学传统研究水平，总是限制在分子和原子之间的水平。表面化学和胶体化学很久以前就表明分子上有一个新的世界，化学对此置之不理。纳米材料对化学的启示：决定了其功能，不仅要看构成系统的基本分子的物理和化学性质，还要看分子如何组装成聚合体。开发分子上的化学已经成为一种趋势。2 .化学为了对纳米材料进行丰富的研究对象化学的特长研究，自然制造新材料，完成对纳米材料的新变化化学的意义丰富的制造方法固相天气方法液相法，2。化学对纳米材料进行了丰富的研究对象固相高能球磨以机械粉碎和研磨为主体，实现粉末微片的优点：简单的工艺，高产量，传统方法很难得到高熔点金属或合金纳米材料。缺点：粒度不均匀，容易引入杂质。部分核生成激活小颗粒生长激活大非晶合金的非晶化方法。气体冷凝液特性：通过调节惰性气体压力、温度、蒸发物质的分压蒸发温度或速度，可以调节纳米粒子的粒度。溅射方法的优点：(1)高熔点金属(2)真空蒸发在多组分化合物的制造流程表面的优点：(1)多种金属的超细粒子(2)粒子大小均匀，分布窄，(3)大小受控，固相溶剂热溶剂热高压下的水(优点：(1)在普通条件下很难得到的几纳米到几十纳米之间的粉末(2)粒度分布窄，凝聚度低，纯度高，晶格发展完整，具有良好的烧结活性。(3)准备过程中污染少，能耗少。(4)溶剂热选择合适的原料比例尤为重要，对原料纯度要求高。微乳液法(1)微乳液是由两种互不溶的液体组成的宏观均匀和微观不均匀的混合物。(2)包含两种反应物的微乳液混合物对微液滴碰撞作出反应。(3)喷雾焙烧方法。(4)沉淀颗粒很小，均匀。固相溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱体可以使用金属酒精或非酒精盐。该方法是在一定条件下用溶胶水解前体，然后制成凝胶，经过干燥纳米材料的热处理，制造所需的纳米粒子。基本原理：溶胶的制备；溶胶-凝胶转换；凝胶干了。产品特征：(1)良好的化学均匀性(2)高纯度、颗粒微固相超分子自组装-1胶体晶体方法：利用胶体溶液的自组装特性将纳米簇组装成超晶格，从而得到二维或三维有序超晶格。图5.3胶体晶体机制，图5.4胶体晶体自组装产品，图5.4胶体晶体方法自组装产品，化学是纳米材料的丰富研究对象，利用固体相超分子自组装-2模板法识别纳米簇和组装模板，进行簇组装(1)固体聚合物膜模板(2)单分子膜模板(3)简单有机分子模板(2)信息技术2。生物芯片3。能量4。环境5。碳纳米管6。纳米技术的实用化预测。图6.1胶体晶体法的自组装产品，1 .信息磁记录材料特异性能量：(1)小尺寸(2)单域(3)矫揉造作：(1)提高信噪比(2)提高图像质量，图6.2微电子-由上而下，图6.3传统光刻芯片与纳米软刻蚀技术的比较，图6.3红、绿、蓝三色可调谐纳米发光二极管；纳米线，纳米棒制造的纳米探测器等纳米设备。电子是多功能设备，就像日本日立公司开发单个电子晶体管一样。日本的单个电子研究涵盖了侧重于制造单个电子存储器设备的记忆、逻辑和基本特性，日本的研究人员成功地制造了可以在室温下运行的单个电子存储器设备。美国开发了由激光驱动的4纳米大小的纳米开关。威斯康辛大学开发了可容纳单个电子的量子点，利用量子点制造出小而耗能低的单个电子器件，将在微电子和光电领域得到广泛应用。2 .纳米生物技术纳米技术与生物技术的结合促进了纳米生物技术的发展。这种既能降低成本又能提高分析速度的微观分析技术等在很短的时间内识别出病菌或污染物的新技术已经在很多方面得到了应用。半导体纳米晶的光学特性可以用于标注和追踪生物细胞中的分子。，用于生物标记的图6.4半导体纳米晶，能源光化学电池光解水制氢纳米材料储氢，能源技术的图6.5纳米材料， 可光催化降解的部分可污染有机物质名称分解结果一氯苯酚完全分解为无机物甲醇，二氯苯酚完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物，甲苯完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物，二氯苯酚完全分解为无机物图6.7碳纳米管形状颜色的潜在应用，图6.7碳纳米管形状颜色的潜在应用，图6，纳米技术的实用化预测，通过世界上众多科学家的纳米技术探索，现在研究人员不仅可以在实验室中操作原子，还可以在材料、微电子、生物技术、医学等领域应用某些纳米技术。 如果问：开发纳米技术需要多长时间？各国科学家都作过相关预测。日本研究人员认为，纳米技术的中期应用主要通过缩小芯片大小来改善电子设备，设计新药、“绿色”污染过滤、超敏感传感器制造等。长期应用应是“智能”模拟反应材料，从原子层、纳米点和自我组装到使用“topdown”设计的“智能”材料结构。日本国立科学技术政策研究所选择了14个领域，对3000多名研究员(日本和德国)采用了德尔菲调查法，并获得了与纳米技术相关的问卷调查结果。表1，关于纳米技术应用的专家预测，表2，与市场密切相关或具有市场的纳米技术，表3，纳米技术的中长期应用，美国商业通信公司通过名为“纳米材料的机会”的技术市场调查报告，认为1996-2001年美国对纳米材料市场需求的预测，纳米材料的市场需求将急剧增加，纳米粒子的比重将更大，表4，美国国内纳米材料的总需求，7国际力学及国内主要研究结果，1。国际力学将纳米技术作为奥运会项目美国-金牌欧洲-银牌日本-铜牌，图7.1纳米技术金告牌，2 .国内主要研究结果表明，板苏维线等首次使用碳纳米管成功准备GaN一维纳米棒，提出了碳纳米管限制反应的概念，成为1997年科学杂志评选的十大科学突破之一。张立德等人首次合成了应用溶胶-凝胶和碳热还原的结合方法、纳米液滴外延等新技术的一维纳米线和纳米电缆。钱一泰等将伽马射线辐射法或水热法和水热法两者结合，成功制造了多种纳米粉体，并首次用溶剂热合成技术在300 制造了30nmGaN。解释心和其他纯碳纳米管的化学气相制备，图7.2国内结果，图7.4 -半导体纳米材料的合成机制，图7.4-半导体纳米材料的电镜和XRD照片，图7.5分子自组装确定一维纳米材料的机理和产物，图7.6C纳米螺旋，气固合成有序结构，图7.5推荐教材纳米材