微观摄影大赛作品纳米材料

,正在生长中的一束碳纳米管,纳米材料,尼康公司微观摄影大赛作品,纳米材料,当物质到纳米尺度以后，在0.1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。,一、纳米材料的特性,1.表面效应2.小尺寸效应3.量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应,（一）、纳米材料的四大效应,1纳米材料的表面效应,纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：,1.表面效应,粒径nm,从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，比表面积将会显著增大，对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。故具有很高的化学活性。,超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。,超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,表面效应的主要影响：,1、表面化学反应活性2、催化活性3、纳米材料的稳定性4、铁磁质的居里温度降低5、熔点降低6、烧结温度降低7、晶化温度降低8、纳米材料的超塑性和超延展性9、介电材料的高介电常数10、吸收光谱的红移现象,2.小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，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。对超微颗粒而言，尺寸变小，其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质。,小尺寸效应的主要影响：,1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸2、宽频带强吸收性质3、激子增强吸收现象4、磁有序态向磁无序态的转变5、超导相向正常相的转变6、磁性纳米颗粒的高矫顽力,3.量子尺寸效应,各种元素原子具有特定的光谱线。由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。吸收光谱阙值向短波方向移动(蓝移)，这种现象称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应的主要影响：,1、导体向绝缘体的转变2、吸收光谱的兰移现象3、纳米材料的磁化率4、纳米颗粒的发光现象,4.宏观量子隧道效应,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。,（二）、纳米材料的奇异特性,具有很高的活性特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质特殊的电学性质,1、具有很高的活性,随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，这就使纳米微粒具有高的表面活性，并且粒径越小，表面原子数所占比率越大，比表面积越大，表面光滑程度变差，形成凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，使其具有优良的催化性能。,“悬键”，就是某单质中没有和周围的单质原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助。声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子，在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。,2、特殊的光学性质,1、宽频带强吸收，当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应，纳米分散物系具有特殊的光学特性，当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。,特殊的热学性质,固体物质在其形态为粗晶粒尺寸时（大尺寸时），其熔点是固定的，超细微化后，其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。,4、特殊的磁学性质,主要表现为：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、高磁化率。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性,5、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。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。,二、纳米材料的分类,纳米颗粒型材料纳米固体（块体）材料纳米膜材料纳米磁性液体材料纳米复合材料原子团簇和碳纳米管,1、纳米颗粒型材料也称纳米粉末（粉体材料），一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。,用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。,2、纳米固体材料,纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。,Fe-B纳米棒,3、纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。,纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏薄膜、纳滤膜,4、纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。,5、纳米复合材料,复合材料的结构是以一个相为连续相，称为基体，而另一个相是以一定的形分布于连续相中的分散相，称为增强体。如果增强体是纳米级的，就称为纳米复合材料。纳米塑料、纳米陶瓷、纳米金属（微孔材料、催化材料、助燃剂、吸波材料、活化烧结材料、敏感元件材料、高性能磁性材料、医学和生物生物工程材料）、纳米复合涂料、纳米复合纤维,6、原子团簇和碳纳米管,原子团簇是指几个到几百个原子的聚集体，是晶粒等于或小于1NM的原子聚集体。的典型代表为Fen、CunSm、CnHm和碳簇（C20、C36、C50、C60、C70、C80和富勒烯等）。原子团簇不同于纳米颗粒。原子团簇中的整数，称为幻数，纳米颗粒则无幻数慨念，它们的性质不同于分子，也不同于纳米颗粒，而是介于气态和固态之间的物质结构的新形态，有时称为物质结构的“第五态”。,超级纤维碳纳米管,一、主要内容碳纳米管简介碳纳米管的性质碳纳米管的发展及研究现状碳纳米管的应用展望,一、碳纳米管简介,1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，发现了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，它们组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名：巴基球。一个巴基球的直径是0.7纳米。巴基球可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成碳70。如果用960个碳原子制成碳540，有可能在室温条件下实现超导！,1、碳60和巴基球,2、碳纳米管,碳纳米管又叫巴基管，碳的同素异形体，与石墨和C60分子的构成都有相近之处。是碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的笼状无缝、中空“纤维”。,碳纳米管,碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管,C60C60C70,金刚石,石墨,碳族成员的结构比较,C纳米管和C60球,C纳米索线,H2原子和C纳米管,多层C纳米管,神奇的碳纳米管-碳纳米管的结构和性质,结构：碳纳米管是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭电子云。,碳纳米管的弯曲部位是由五边形和七边形的碳环组成的。当六边形逐渐延伸出现五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现则会使其凹进。如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口。这样就会在局部区域导致变形现象。,碳纳米管的特异性质：,力学性质：高的机械强度和弹性电学性质：优良的导体和半导体特性优良的传热性能优良的光学特性：发光强度随发射电流的增大而增强高的比表面积强的吸附性能,1、力学性质,硬度大：碳纳米管的硬度与金刚石相当极强的柔韧性：它的抗拉强度和韧性在目前所有的材料中是最高的高机械强度：强度100倍的钢，密度1/6倍的钢，,具有极好的可弯折性,具有极好的可扭曲性,2、电学性质,导电性极强：导电具有方向性，因此碳纳米管既具有金属性又有半导体性。场发射性能优良：是极佳的发射电极,3、传热性能，,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。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。,4、优良的光学特性：发光强度随发射电流的增大而增强5、高比表面积：由于碳纳米管具名很大的表面积，可以用来作为催化剂的载体，最大程度的提高催化剂的效率。6、强吸附性能,7、化学性质,碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。,三、碳纳米管的应用前景,场发射材料纳米电子器件纳米机械碳纳米管复合材料储氢材料锂离子电池电极材料超级电容器电极材料催化剂材料,1、场发射材料,碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径极易发射电子,在相对较低的电压下就能够发射大量的电子,而且还具有极好的化学稳定性和机械强度,是一种优良的场发射材料,如果使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电视电子枪向屏幕发射电子来成像电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，而且可以缩短电子到屏幕之间的距离，从而制成更薄的电视机。,2、纳米电子器件,纳米碳管晶体管：只需一个电子就可实现开关状态制备超细导线：碳纳米管可以作为模具制出超细导线，先在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，然后把碳层腐蚀掉，就可以制备出导电性能非常好最细的纳米尺度的导线，,C脚手架,C60晶体管,纳米变阻箱,3、纳米机械,用作扫描探针：碳纳米管是理想的扫描探针显微镜针尖，可用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。制“纳米秤”能够称量单个病毒或原子的质量。用于生物敏感器件,4、碳纳米管复合材料,超级纤维：碳纳米管可以制成强度最高的纤维材料。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。复合材料：利用碳纳米管制成的复合材料不仅力学性能优良，而且抗疲劳、材料尺寸稳定，增强复合材料：功能复合材料：混合复合材料：,5、储氢材料,碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，有较大的比表面积，比常用的吸附剂一活性炭有更大的氢气吸附能力，非常适合作为储氢的材料，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。,6、锂离子电池电极材料,利用碳纳米管做为锂离子电池的电极材料使得电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性,大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出,筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷,以保证电池具有高电压、可以大大提高锂离子电池的性能和寿命。,7、超级电容器电极材料,超级电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用。科学家们正在寻找一种电极材料能使得复合电容器同时具有较高的能量和功率密度。用碳纳米管取代活性碳作为电极材料,已经取得了一些研究成果。,8、催化剂材料,碳纳米管由于量子效应使其具有特异性催化和光催化等性质,独特的电子、孔腔结构和吸附性能等,可用作催化剂载体,在加氢、脱氢和择形催化反应中显示出很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化化学上获得应用,就能极大地提高反应的活性和选择性,有望产生巨大的经济效益。,碳纳米管可以制作成两维数据存储系统(1015bytes/cm2comparedtothecurrentstateofthe108bytes/cm2).,在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。,把碳纳米管用作转子的纳米马达图像,第二节纳米材料的制备技术,纳米材料的制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。,一、物理方法,1真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。2物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,二、化学方法,1化学沉淀法共沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法2.化学还原法水溶液还原法气相还原法多元醇还原法碳热还原法,3、溶胶凝胶法4、水热法5、溶剂热合成法6、微乳液法7、高温燃烧合成法8、模板合成法9、电解法,纳米级超细碳酸钙的生产方法,碳酸钙在自然界至少有6种矿物形式：无定形碳酸钙(amorphous)球霰石(vaterite)文石(aragonite)方解石(calcite)单水方解石（monohydrocalcite）和六水方解石（ikaite，CaCO36H2O）是大理石、石灰石、白垩等天然矿物的主要成分，也是贝壳、珊瑚礁、珍珠的构成成分。,制备实例,重质碳酸钙（GCC）；以方解石、大理石、白垩、贝壳、石灰石等为原料经机械粉碎及超细研磨等用物理方法制取的碳酸钙粉体产品轻质碳酸钙（PCC）：以石灰石为原料经煅烧、消化、碳酸化、分离、干燥分级等化学方法制取的产品纳米碳酸钙：粒径通常在20100nm之间的一种新型轻质碳酸钙产品,纳米碳酸钙由于粒子超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，且粒径细而均匀、分布窄、比表面积大、表面活性及分散性好、表面能高，使其在实际使用中体现了很多普通碳酸钙材料所不具备的更加优异的性能，用途更为广泛。广泛大量应用于注塑、挤出、PVC型材、管材、汽车涂料、密封胶、粘结剂涂料、油墨、橡胶等行业，碳酸钙产品的附加值得到很大提高，很快引起了世界各国的普遍关注，现已成为无机非金属材料研究和企业竞争投资的热点。,纳米级超细碳酸钙的生产方法纳米级超细碳酸钙的粒径很小（一般为1100nm），用物理方法生产纳米级超细碳酸钙很困难，特别是物理方法不能制备高活性晶形。因此国内外都在研究化学方法，其中碳化法是生产纳米级超细碳酸钙的主要方法。,碳化法：是将精选的石灰石矿石煅烧，得到氧化钙和窑气。使氧化钙消化，并将生成的悬浮氢氧化钙在高剪切力作用下粉碎，多级旋液分离除去颗粒及杂质，得到一定浓度的精制的氢氧化钙悬浮液。通入二氧化碳气体，加入适当的晶形控制剂，碳化至终点，得到要求晶形的碳酸钙浆液。进行脱水、干燥、表面外理，得到所要求的碳酸钙产品。碳