纳米材料和纳米科学技术_2012新-_.ppt

纳米材料和纳米科学技术,材料科学与工程学院教授博士生导师黄金亮博士,第一次工业革命：,发生在18世纪中叶，以蒸汽机为代表，新的动力解放了人类的双手，使人类跨入了以机械代替人力的机械化工业时代，它的标志尺度是毫米，可以称作毫米技术应用时代。,第一次工业革命（毫米时代）,第二次工业革命：,20世纪以电子技术为代表，它的标志是微米技术的应用，使人类进入电气化、电子化，以计算机和网络通讯为代表的新时代，不仅缩短了人类之间的空间距离，而且部分地解放了人类的脑力劳动，促进了生产力的飞速发展。,第二次工业革命（微米时代）,21世纪，以纳米技术为代表的新兴科技，将给人类带来第三次工业革命，使人类的生产和科技活动从微米层次深入到纳米层次，它将为人类创造出许多新材料、新产品；将彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式；将对传统产业带来极大的变革。纳米科技与信息和生物技术的交叉、综合将为人类创造出一个全新的世界。纳米技术将成为21世纪的科技发展的领头羊。,第三次工业革命：,第三次工业革命（纳米时代）,WhatisNano?,InGreek,“nano”meansdwarfReallyreallyreallysmall!1nanometer(nm)=10-9mNanoscalegenerallyreferstothesizescaleof1100nm.,Howsmallis1nanometer?,HumanHair,一纳米有多小？,SizesofObjects,AndromedaGalaxy1022m（仙女座星系直径）,Sun1.4x109m,Earth1.2x107m,SolarSystem1.2x1013m（太阳系）,Singapore4.2x104mby2.3x104m,QomoLangmaFengHeight8.9x103m,RafflesCityHeight2.8x102m,ApatosaurusLength2.1x101m,SizesofObjects,AfricanElephantHeight3.3m,Rabbit(Length)3x10-1m,RedBloodCell7x10-6mby10 x10-6m,Virus(Length)9x10-7m（病毒）,Carbon-CarbonBondLength1.5x10-10m,Atom10-10mNucleus10-14m,Crosssectionofhumanhair8x10-5m,CdSeNanocrystal3x10-9m,Housefly7.5x103m,纳米材料,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-910-7m)或由它们作为基本单元构成的材料(相当于10-100个原子紧密排在一起),纳米材料的形态,零维：颗粒、球、核壳结构复合颗粒一维：丝、棒、管二维：薄膜、多层膜、刻制图案、分子组装三维：大块纳米固体,()零维指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。,零维,-Al2O3,TiO2,()一维指在空间有一维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。,Xenon（氙）onNickel（镍）(110),铁在铜111面上,Media:Gadolinium（钆）onNiobium（铌）(110),小尺寸效应量子尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应,四大效应,小尺寸效应,当微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等特征物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的效应，即：小尺寸效应。,量子尺寸效应,当微粒尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应。例如良导体银，当微粒粒径小于20nm时变为非金属绝缘体。如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等,表面效应,微粒尺寸降至纳米级时，随着尺寸的减小，位于表面的原子数越来越多，表面能迅速增加的现象称为表面效应。,纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,宏观量子隧道效应,微观离子具有贯穿垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如：微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。重要意义：限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，确立了微电子器件进一步微型化的极限。,由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点。,纳米金属材料高矫顽力：磁性信用卡，磁性钥匙，磁性流体（电声器件、旋转密封）黑色强吸波：改变颗粒尺寸，可改变吸收边的位置，用于不同波长电磁波的吸收屏蔽，制造隐形飞机低熔点：金的熔点1337K,2nm金的熔点600K，有些纳米金属的熔点甚至可降至室温。粉末冶金纳米陶瓷材料韧性好、强度高、抗腐蚀：疏水疏油：自清洁材料（涂料，织物）,纳米材料的奇异性能,陶瓷韧性提高,纳米纳米材料具有奇特韧性，在经受弯曲不断裂；氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50以上；纳米材料在温度下，塑性提高。,催化活性增强,以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍催化剂（尾气、空气、水等净化）、炸药、推进剂,隐身材料隐身的基本原理：降低目标自身发出的或反射外来的信号强度；或减小目标与环境的信号反差，使其低于探测器的门槛值；或使目标与环境反差规律混乱，造成目标几何形状识别上的困难。隐身的方式：结构隐身和涂层材料隐身。,纳米隐身涂料,隐身涂料是固定覆盖在武器系统结构上的隐身材料，按其功能可分为：雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料等。根据隐身原理又可分为：吸波隐身涂料和透波隐身涂料纳米隐身涂料：纳米材料和有机涂料复合而成（Nanocompositecoating)。金属纳米隐身涂料：纳米金属粒子，如Al、Ti、Cr、Nb、Mo等与聚合物的复合。金属氧化物，如TiO2、SiO2、ZnO、Al2O3、Fe2O3等与聚合物的复合。有机纳米隐身涂料：有机纳米粒子的熔融、复合而成。,奇异性能实例,纳米材料的制备方法,真空冷凝法物理粉碎法机械球磨法气相沉积法化学沉淀法水热合成法溶胶凝胶法微乳液法,班产公斤级纳米金属微,双腔体电爆炸制备纳米金属微粉装置,什么是纳米科学技术？,创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料设计、制备各种纳米器件和装置探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关系和机理,纳米科技概念的提出与发展人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器,这样一步步达到分子线度,即逐级地缩小生产装置,以至最后直接按意愿排列原子,制造产品.那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。当2000年人们回顾历史的时候,他们会为直到1959年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。-RichardP.Feynman,1959,1974年Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工;1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出,可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物-分子装置开始研究,并称之为纳米科技.他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜系列（STM）极大促进了纳米科技的发展。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开。1996/9/8-12，NanoIV,Beijing,纳米技术涉及的领域,纳米电子学与计算学传感器结构材料,纳米电子学与计算学分子电子学和光子学计算建筑学分子组装,传感器生命探测预报健康和安全汽车状况检测,结构材料复合材料多功能材料自复原材料,纳米存储器存储密度可达每平方厘米100万亿字节,纳米材料硬盘，存储容量为现有的100多倍,20世纪的发展靠的是微米技术，21世纪要靠纳米技术。未来的某一天，现在像“银河”那样的巨型计算机小到可以被随手放进口袋；美国国会图书馆的全部信息，将会被压缩到一个糖块大小的设备中。甚至星际旅行也将因为纳米技术变成现实，宇宙的奥秘将在纳米技术的推动下迅速被人类揭晓。,衣：应用纳米技术，在化纤布料中加入少量的金属纳米微粒就可以解决衣服的静电现象。食：纳米微粒可以除味杀菌，已生产出可以抗菌的冰箱，食品延长了食用期，居民不用过于担心食品腐烂。住：抗老化的外墙涂料，耐洗刷性提高10倍；自洁玻璃和自洁瓷砖（莲花效应）；吸收紫外线。行：纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。用：防晒油、化妆品因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。用纳米微粒衬在灯泡里，不影响透光，节电。医：微型药物输送器；微型机器人；纳米导向药物等,生活中的纳米技术,纳米冰箱,纳米多功能鞋,纳米医药学,修复DNA使人类可以消灭各种遗传缺陷清理血栓、血脂修复人体器官坏损部分纳米中药疾病检测指示剂，检测出来只有几个细胞大小的肿瘤抗菌剂纳米药物导向剂,一些分子大的小液滴，其大小只有针尖的l5000，能杀灭生化武器炭疽的孢子、流感病毒、疤疹大肠杆菌、沙门氏茵和李氏杆菌。,纳米智能炸弹,国际纳米技术发展的态势,美国启动纳米技术促进计划,克林顿说：“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划”。,科学技术主席助理（1984年4月）NealLane说：“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程。”,威廉姆斯说：“纳米技术对经济社会的影响将超过计算机”,日本和德国出台了相应的研究计划,日本政府和国会作出决定：要向抓微电子那样抓纳米技术，把发展纳米技术作为21世纪前20年立国之本。,德国：纳米技术是21世纪高科技的制高点。2000年布署了跨部门的六大中心,发展纳米技术.,其他国家的纳米科技发展概况,印度：要向抓软件产业那样，快速发展纳米技术。,韩国和瑞典：21世纪对纳米科技投入增长最快的国家。,纳米技术,推动GDP快速增长,对关键问题的影响力,名人预测,21世纪，高科技产业如信息、生物技术、资源环境、新型能源、宇航、海洋和新材料等领域都面临着新的挑战，纳米技术的切入，使这些高科技领域的发展出现新的机遇，蕴藏着巨大的潜力。,水平和机遇,信息产业,单电子器件,磁电子器件,过滤器截止器谐振器微电容微电极,自旋电子器件,共振隧穿器件,光电子器件,巨磁电阻器件,量子点和分子电子器件,纳米结构器件纳米加工,环境,纳米技术能消除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物。,环境探测器,纳米结构反应器,能源,提高能量转化效率,太阳能30%电能,氢能源利用,海底天然气利用