纳米材料与纳米科技

纳米材料与纳米科技,非金属材料,西南大学工程技术学院,纳米技术与网络技术、基因技术并称21世纪科学技术发展的三大“动力工程”；纳米科技时代是第四次工业革命的标志第一次：以热学为基础，蒸汽机时代；第二次：以磁学为基础，电气化时代；第三次：以现代物理学为基础，计算机信息时代；纳米技术将掀起第五次经济浪潮第一次：农业(19世纪80年代)第二次：工业制造业(20世纪20年代)第三次：服务业(20世纪50年代中期)第四次：信息业(目前),1.概述,纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻的影响：社会生产途径；人类生活方式；人们思维模式。,英国诗人威廉布莱克(17571827年)在一首诗中写道：一花一世界，一沙一天堂，掌中握无限，霎那成永恒。天真的预言(AuguriesofInnocence)，,“纳米”是英文nanometer的音译，来源于拉丁文，是一种长度度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，只相当于十个氢原子串起来那么长，大约是一根头发的26万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。1nm=10-9m=10-3m10-6m=1mm1m不同数量级比较：毫米级(mini-)，度量范围：1mm10mm；微米级(micro-)，度量范围：1m1mm；纳米级(nano-)，度量范围：1nm1m。,2.纳米的定义,3.1纳米结构,纳米结构通常是指尺寸在100nm以下(一般是0.1nm100nm)的微小结构。“介观”是指介于宏观和微观之间的意思。纳米则是一个介观尺度的度量单位，这是一个比微观尺度(原子大小为0.1nm)大，又比宏观尺度(光学显微镜分辨极限的微米尺度)小的世界。在这个世界里的研究工作是从基础物理学对这个尺度上的结构(纳米结构)所表现出的奇异特性开始的。在这个尺度上的物质，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分它们是晶态、液态，还是气态了，而成为物质的一种新的状态“纳米态”。,3.纳米结构、纳米技术和纳米科技,3.2纳米技术,在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术是一种材料技术，材料技术发展的趋势之一就是尺寸向越来越小的方向发展。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。,纳米技术的三个特征：它们必须至少有一个维具有0.1nm100nm的尺度；它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质；它们能够组合起来形成更大的结构且具有优异的电气、化学、机械与光学性能。,3.3纳米科技,自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为对象，研究其所具有的特异现象和功能的的新学科，这就是纳米科技。作为一门极有前途的新兴科学，纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。纳米科技是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物，纳米科技又引发了一系列新的科学技术，例如纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学、纳米制造等学科。这其中的每一门学科又都具有跨学科性质，是集研究与应用于一体的边缘学科与综合体系。,纳米科技的核心技术是“纳米眼”和“纳米手”，即能够观察原子和分子的手段和能够“操纵”原子和分子的“机械手”或“机器人”。人们想到了，却无法找到窥探原子、分子的工具，更不用说排布分子、原子的装置来制造产品。80年代初期，IBM公司在世界上首先研制成功表面分析仪器扫描隧道显微镜(STM)，使人类第一次能够观察到单个原子或分子的排列状态。它给我们提供了对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”和“手指”。形象地说，如果人站在月球上看地球，肉眼看见地球是一个球体，无法分辨出细节。用放大2000倍的光学显微镜可以看到地球上的楼房。但如果使用放大上亿倍的扫描隧道显微镜，则可以看到建筑物水泥墙或泥土中的沙粒。,4.研究纳米技术的手段和方法,目前除了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)以外，还有近场光学显微镜(NSOM)、侧面力显微镜(IFM)、磁力显微镜(MFM)、极化力显微镜(SPFM)已有二十多个品种，但大量还处在实验室的产品研发阶段。因其都是用探针通过扫描系统来获取图像，故这类显微镜统称为扫描探针显微镜(SPM)。,显微镜的发展过程1674年，荷兰列文虎克发明世界上第一台光学显微镜，分辨率为10-610-7m，达到细胞水平；1931年，德国恩斯特鲁斯卡发明世界上第一台电子显微镜，分辨率为10-8m，达到病毒水平；1981年，美国葛宾尼和海罗瑞尔发明世界上第一台扫描隧道显微镜，分辨率为10-9m，达到原子水平。,探索微观世界的眼睛,广义地说，纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料。目前，国际上将处于1nm100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，即接近于分子或原子的临界状态。,5.1纳米材料的定义,5.纳米材料,5.2纳米材料的主要类型,纳米材料的类型不是由化学组成界定，而是以维数尺寸来定义，包含所有的材料种类。纳米微粒粉体(0维)；纳米碳管和其它(1维)；纳米薄膜和涂层(2维)；纳米块材和相材(3维)。,纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构，使之产生“四大效应”，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。,5.3纳米材料的“四大效应”,特殊的光学性质所有的金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的金属光泽而呈黑色，尺寸越小，颜色愈黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到210-2m以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于610-3m时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙。特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。,纳米材料的制备方法主要包括物理法和化学法两类。物理法：物理气相沉积法、真空冷凝法、放电爆炸法、机械合金熔合法、严重塑性变形法、惰性气体凝聚法、等离子蒸发法、电子束法、激光束法等。化学法：化学气相沉积法(CVD)、气相燃烧合成法、气相还原法、溶胶凝胶法、共沉淀法、水热合成法、碳化法、微孔液法、络合物分解法等。,5.4纳米材料的制备方法,5.5纳米材料的应用,结构材料：已经从纯金属转向多元合金及复合纳米材料研究。把纳米粉末制成块状金属，其强度提高十几倍，硬度高23个数量级，同时可以象橡胶一样有弹性，制成的汽车只有原来的1/10重。,“纳米技术的神奇使世界变得小而美丽”,生活日用品领域：变色纱窗(调节色彩光线)、陶瓷咖啡杯(不碎有弹性)、鞋(抗菌吸湿)、纺织布料(防污染免洗免熨)、建筑陶瓷和玻璃(自洁)、电视机(静电屏蔽、真彩、超薄)、冰箱(抗菌抗静电)生物医学领域：诊断仪器(快速准确)、智能药物(靶向、吸收)、细胞医生(不流血、无痛苦)、膏药(不打针)、器官移植、人重组电子信息领域：超大规模集成电路、超高速超灵敏度传感器光学、磁性领域：防紫外线吸收材料、光存储材料、变色材料、高存储密度、芯片图书馆、人造太阳月亮工业制造领域：米粒汽车、芝麻车床、火柴盒反应堆军事领域：蜜蜂直升机、麻雀卫星、针尖炸弹、蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草、沙砾侦探、蚂蚁士兵孙悟空与铁扇公主、大话西游至尊宝和白晶晶、紫霞下载硬件变为可能,1959年，美国著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，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；1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；1977年，纳米技术理论家、美国麻省理工学院的埃里克德雷克斯勒(K.EricDrexler)提出，利用原子制造机器，可以从模拟活细胞中生物分子的人工类似物分子装置开始，纳米技术就此得以命名。1982年，科学家发明描述纳米的重要工具扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。,“纳米”大事记,1984年，德国科学学家葛莱特(Gleiter)首先提出了纳米材料的概念,并且在高真空下，用气体蒸发的方法制备出了第一块纳米金属材料；1985年，斯莫利(美)、与克罗托(英)和科尔(美)发现碳的其它结构C60和C70，为纳米技术打下基础；1989年，美国斯坦福大学搬走原子团“写”下“斯坦福大学”英文；1990年，美国国际商用机器公司IBM阿尔马登研究中心的科学家詹姆斯金泽夫斯基在Ni表面用35个Xe(氙)原子排出“IBM”商标；1990年7月，第一届“国际纳米科学技术会议”NST(NanoscaleScienceTechnology)在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；,1991年，碳纳米管被日本NEC公司饭岛澄男(Lijima)发现，它的质量是相同体积钢的1/6，强度却是钢的100倍，成为纳米技术研究的热点；1993年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，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地；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。,纳米技术的奠基人,微观世界小中见大,纳米材料之父,纳米科技之父,埃里克德雷克斯勒(K.EricDrexler)纳米技术理论家、美国麻省理工学院的教授。1977年，他提出“利用原子制造机器，可以从模拟活细胞中生物分子的人工类似物分子装置开始”，“纳米技术”就此得以命名。他还在1980年代时,引进了“纳米科技”(nanotechnology)这个名词,用來描述精确到原子层次的分子制造系统以及其产品。,纳米科技之父,显微镜的发明人,病毒与DNA,扫描隧道显微镜,纳米世界的“眼睛”和“手”探针,C60的发现,富勒烯(巴基球),碳的新分子形式,C60发现的意外之喜在所有发现C60有关的研究人员当中，几乎都是研究硅和锗的原子团簇的，没有一位是为了“发现”富勒分子(也称C60)开始研究的。在旁人眼里，富勒体的发现历程近乎神奇本来应由化学家们最早得到的富勒体分子，却由天文学家和物理学家们在研究星际尘埃工作中意外的揭开了其神秘的面纱。令C60的发现者们醉心的完美结构竟然是我们再熟悉不过的“足球”！而灵感的源泉却来自于建筑学家的智慧。这样，宇宙与原子团簇，建筑学家、足球与分子结构这些表面上看起来风牛马不相及的事情，就在这里奇妙的融为了一体！,罗伯特科尔在加拿大蒙特利尔万国博览会的美国馆(巨蛋体育场)，见到屋顶为五角形与六角形构造而得到灵感，进而成功解出C60的结构。巨蛋体育馆的屋顶结构，为美国建筑师巴克明斯特富勒(BuckminsterFuller)所设计。科尔为纪念此事，便以建筑师的名字将C60命名为“富勒烯(buckminsterfullerene)”，简称为“巴克球(buckyball)”。也有称为“巴基球或布基球”。,巴基球(Buckyball)纳米技术王冠上的明珠,“巴基球”的故事,大力神金杯：1998年世界杯足球赛期间，德国埃朗根纽伦堡大学化学家赫希在分子水平上制造了一座“大力神”金杯复制品，赠与冠军得主法国队。微型“大力神”