纳米功能材料及应用

教学内容和要求第一章绪论第二章纳米粒子的基本性质第三章纳米粒子的结构和物理化学性质第四章纳米粒子的制备方法第五章纳米功能材料的制备第六章纳米功能材料在航空航天工业中的应用第七章纳米功能材料在能源、化工和环境保护中的应用第八章纳米功能材料在机电中的应用第九章纳米功能材料在信息中的应用， 通信应用第10章纳米功能材料在生物和医学中的应用，纳米功能材料和应用，第2页，课程性质，目的和任务性质：前沿材料科学目的：拓宽知识和提高创新能力任务：让学生了解纳米功能材料及其工程应用，什么是纳米？ 什么是纳米技术？为什么人们如此重视纳米技术和纳米技术？研究纳米的基本方法是什么？什么是纳米材料？精彩的纳米技术和纳米材料，什么是纳米技术？首先，纳米是一个尺度的概念。纳米的希腊数学标度是1纳米=10-9纳米=10埃。头发直径：50-100米，1纳米相当于头发的1/50000。氢原子的直径是1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个接一个排列的长度。氢原子，什么是纳米？概述，跳蚤，毛发，红血球，病毒，脱氧核糖核酸，单壁碳纳米管，铂/二氧化钛粒子，第6页，10厘米，1厘米，第7页，100微米，10微米，第8页，1微米，100纳米，第9页，10纳米，1纳米，0.1毫米(设备，肉眼)-机械制造，机械，航空航天？(望远镜)-天文学，微观和宏观-一个相对的概念，一个介于微观和宏观之间的“介观”世界，带来了一系列的“奇点”和“突变”，导致了纳米材料和纳米器件的一系列新功能和新现象。所谓的“纳米技术”是在0.1-100纳米范围内研究原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。与此同时，在这个范围内操纵和处理原子和分子的技术也被称为纳米技术。纳米技术：的主要研究内容是创造和制备性能优异的纳米材料，制备各种纳米器件和器件来检测和分析纳米区域的性质和现象，什么是纳米技术？人类和动物坚硬牙齿的外表面，即珐琅，由纳米大小的微晶组成。蜜蜂海洋定位中的天体陨石碎片和亚微米胶体粒子：蜜蜂体内有磁性纳米粒子，具有“指南针”的功能，可以指导蜜蜂的活动。人们过去认为蜜蜂使用北极星或者通过摇摆舞蹈向同伴传递信息来辨别方向。最近，英国科学家发现蜜蜂用圆规来确定方向。纳米材料和纳米技术的自然存在，海龟在大西洋中游弋磁性粒子在螃蟹头上的导航磁性粒子“指南针”定位的杂乱无章的莲花效应荷叶从淤泥中露出而没有染色，以及荷叶上有非常复杂的多重纳米和微米大小的超微结构。表面上有许多微小的乳突，平均大小约为10微米，平均间距约为12微米。然而，每个乳突都有许多直径约200纳米的突起。壁虎的每一只脚的檐口都有数百万根非常细的刚毛，每根刚毛的末端都有大约400到1000根更细的分枝。这种精细的结构使得刷毛和物体表面的分子之间的距离非常近，从而产生分子吸引力。根据微观标准，动物和植物是纳米机器的组合。这些纳米机器被称为蛋白质。而细胞可以说是由这些纳米机器组装而成的微米机器。1857年，法拉第在1861年制备了金纳米粒子，1962年胶体化学成立，库伯从20世纪70年代末到80年代初提出了著名的库伯理论，并开始了系统的研究。1985年，克罗托和斯马利等人在7月发现了C 601909。第一次纳米技术会议在美国巴尔的摩举行。1994年，波士顿举行的MRS秋季会议正式提出纳米材料工程。为什么人们如此重视纳米技术和纳米技术？在中国古代，蜡烛被用来燃烧和收集碳黑作为墨水的原料(中国古代的书法和绘画已经经历了几千年而没有褪色)，这是最早的纳米材料。中国古代铜镜表面的防锈层被测试为由纳米氧化锡颗粒组成的薄膜。古代的剑和其他微晶化增强已经被科学地证实。然而，欧冶子当时并不知道这样做的原因，也不知道纳米技术的作用，因为人类肉眼根本看不到纳米大小的小颗粒。他们只知道用这种方法制造的工件是好的。中国古代的“纳米技术”无意识、人工制备纳米材料至少可以追溯到1000年前。1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者费曼在美国物理学会年会上发表了一篇著名的演讲，题为“地球的分裂”。费曼在他的演讲中充满激情地说：“当我们深入到原子的周围，在原子周围漫步时，我们会按照不同的规律运动，我们会遇到许多新的事物，会以全新的方式产生，会完成非凡的工作。如果有一天一个人可以按照自己的意愿排列原子，那会产生什么样的奇迹呢？“他和我们描述了一幅激动人心的画面：通过人工操纵单个原子来构建我们需要的特定功能物质，就像用原子构建积木一样！现代纳米技术的启示“底层有很多事要做”。由于光的波长及其相干性，它的极限分辨率约为0.1毫米，用光学显微镜看不到纳米大小的物体。1932年，德国的罗斯卡发明了世界上第一台透射电子显微镜，为探索微观物质世界奠定了基础。从1986年诺贝尔物理学奖到1998年，透射电子显微镜的分辨率达到了0.13纳米，但是透射电子显微镜只能看到原子，不能移动原子。1981年，国际商用机器公司的宁滨和罗尔发明了基于电子隧道效应的扫描隧道电子显微镜，获得了1986年诺贝尔物理学奖。目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜观察原子、分子，并直接操纵和排列原子。到目前为止，它有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01纳米，扫描隧道电子显微镜-原子操纵，1990年，美国加利福尼亚州国际商用机器公司研究室的艾格勒等人利用扫描隧道显微镜在镍表面排列35个氙原子，成为4K和超真空环境中最小的国际商用机器商标。这张放大的照片刊登在底层大有可为周刊上，被称为年度最佳公司广告。每个字母都有5纳米高。Xe原子之间的最短距离约为1毫米。这种原子重定位的方法是将显微镜的探针尖端与选定的Xe原子对准，使尖端靠近Xe原子，并使原子间作用力达到Xe原子移动到尖端之后的指定位置而不离开镍表面的点。通过这种方式，可以排列密集的Xe原子链。Xe原子重定位后，实现了分子重定位排列。在铂单晶表面，吸附的一氧化碳分子被扫描隧道显微镜移动和排列，形成一个只有5纳米高的世界上最小的人的图案。用于形成这种图案的一氧化碳的分子间距离只有0.5纳米，这被称为“一氧化碳恶棍”。同一实验室的科学家在铜表面排列了48个铁原子，形成了汉字“原子”。汉字的大小只有几纳米。通过使用扫描隧道显微镜的尖端在铜表面上传送和操纵48个铁原子以形成一个圆。圆周上原子的一些电子向外传播并逐渐减少，与同相传播的电子发生干涉，形成干涉波。1991年，日本日立研究实验室在室温下用扫描隧道显微镜(STM)去除二硫化钼晶体表面的一些原子，用单个原子操纵它们，并以原子孔的形式写下“和平91”这个词，每个原子孔的尺寸小于1.5纳米。1994年，中国科学院化学研究所和中国科学院北京真空物理研究所利用扫描隧道显微镜从单晶硅表面去除硅原子，获得了硅原子毛泽东(线宽2nm)。在石墨表面雕刻10纳米宽的“中国”字。汉字的大小只有几纳米。1988年4月12日，白春礼院士成功研制了中国第一台计算机控制的短时记忆存储器。这些技术的突破在高密度信息存储、纳米电子器件、量子阱器件、新材料的形成和物种的重新选择等方面有着非常重要和广泛的应用。第31页，1984年，德国萨尔大学的格雷特教授等人首先采用惰性气体冷凝法制备表面洁净的纳米金属粉末，然后在真空室内原位加压成纳米固体，并提出纳米材料界面结构模型，制备表面洁净的纳米晶钯、铁、铜等块体材料。后来发现二氧化钛纳米陶瓷在室温下表现出良好的韧性，这使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。富勒烯如p 32和C60用激光轰击石墨靶，用甲苯收集碳团簇，用质谱仪分析，发现由60个碳原子组成的碳团簇丰度最高，通常称为C60。富勒烯是由纯碳组成的一系列原子簇的总称。它们是共轭烯烃，具有由非平面五元环、六元环等组成的中空球形或椭圆形结构。其中，C60是由20个六元环、12个五元环和30个双键(C=C)连接的60个碳原子的橄榄球形中空对称分子。因此，富勒烯也被称为“足球烯烃”。1996年诺贝尔奖。富勒烯像磁铁一样，具有吸收自由基的特性，可以起到“自由基清除剂”的作用，减少人体因新陈代谢和外界环境影响而产生的自由基。目前，富勒烯被广泛使用。除了抗老化和维护之外，富勒烯还在工业半导体和主要疾病的预防和治疗中受到极大关注。富勒烯C80是富勒烯的衍生物。其高稳定性、抗自由基、抗氧化、细胞引发的重组效应以及在医学防癌领域的应用受到广泛关注。第35页，纳米多层薄膜系统的巨磁电阻效应1988年，法国的菲尔发现在铁和铬多层薄膜中，弱磁场的变化会导致电阻大小的急剧变化，其变化幅度比通常情况高出十倍以上，他把这种效应命名为巨磁电阻效应(GMR)。就在三年前，德国教授格伦伯格在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中发现了完全相同的现象。艾伯特费尔和彼得格伦伯格因独立发现巨磁电阻效应而获得2007年诺贝尔物理学奖。-硬盘读取头：小巧灵敏-计算机硬盘的存储密度增加了50倍。1994年，IBM公司成功研制出一种具有巨磁电阻效应的读取头，磁盘记录密度增加了17倍。1995年，有人宣布，用于制造每平方英寸3Gb硬盘表面密度的读出头创下了当时的世界纪录。硬盘容量已从4GB增加到600 GB或更多。纳米技术就在你身边，你正在享受它！2000年1月21日，美国总统克林顿宣布，美国将从2000年10月1日起实施一项新的国家计划，即国家纳米科技计划(NNI)，并使之成为美国政府当前科研发展的最高优先计划。据报道，美国政府在2001年的预算中，在纳米技术的研究和发展上花费了4.95亿美元，几乎增加了一倍。美国总统科技助理写信给国会说，纳米技术，像信息技术或生物技术一样，将对21世纪的经济、国防和社会产生重大影响，并可能导致下一次工业革命，这应该是2003年11月，时代获得通过，这表明纳米技术已经成为联邦的一项主要研发计划。从基础研究和应用研究到研究中心，从基础设施建设到人才培养，都在全面展开。政府的巨额补贴巨大的机遇和挑战，第38页，克林顿说：“我的预算支持一个相对重要的新的国家纳米技术倡议，即在原子和分子水平操纵物质的能力，价值5亿美元。试着想象这些可能性：这种材料的强度是钢的10倍，而重量只是钢的一小部分；国会图书馆的所有信息都可以压缩到一个0.3毫米的硅片上。当肿瘤只有几个细胞大小时，就能被检测出来。我们的一些目标可能需要20年或更长时间才能实现，但这正是联邦政府在这方面发挥重要作用的原因。”克林顿的美国国家纳米技术倡议的副标题是“领导下一次工业革命”。IWGN团队由物理学家、化学家、生物学家和工程师组成，拥有10个纳米中心。目标是尽快将纳米技术从可行性变为现实。美国2001-2002财政年度NNI预算表，第40页，2007、2008和2009财政年度NNI预算表，第41页，日本2000年，鉴于美国政府把纳米技术作为国家技术发展的战略目标，日本政府不会忘记20世纪美国在发展信息高速公路方面所表现出的战略眼光。这一历史教训迫使政府将纳米技术作为日本未来科学研究的新重点，投资约3.1亿美元进行研发，并建立了一个专门的纳米材料研究中心，力争在这一高科技领域不落后于美国。以纳米技术为代表的新材料技术被列为生命科学、信息通信和环境保护的四个关键发展领域。这项研究的重点是纳米材料、高速高密度电子元件和通信用光学存储器的制造技术和功能。在过去的10年里，西方发达国家对纳米技术的投资以年均25%以上的速度增长，总投资超过100亿美元。第43页，是指在结构上具有纳米级调制特性的材料。特征尺寸1-100纳米(粒度、粒度。晶界宽度、第二相分布、孔径、缺陷尺寸等。)纳米材料具有特定的性质变化，具有特殊功能的材料，其组成相或晶粒结构尺寸被控制在100纳米以下，称为纳米材料。也就是说，在三维空间中至少有一维小于100纳米的材料或由它们作为基本单元组成的具有特殊功能的材料。“函数”的概念，即“量子尺寸效应”。什么是纳米材料？第44页，纳米材料的分类是什么？零维纳米材料一维纳米材料二维纳米材料三维纳米材料，第45页，0零维纳米材料-尺寸小于100纳米的颗粒材料。包括粉末材料、纳米球、氧化铁颗粒的高分辨率透射电子显微镜照片、第46页、第1页和第：页的具有1-100纳米线性直径的纤维(管)的一维材料。二维材料：是厚度为1-100纳米的薄膜。块体纳米材料(由纳米材料组装而成)纳米多孔材料(孔径为纳米级)，MCM-41介孔分子筛，第47页，纳米不再是简单的数学尺度，这将会给材料的物理和化学性质带来重大变化。纳米材料的新特性：当物质小到1 100纳米(10-910-7m)时，由于其巨大的表面和界面效应，物质的许多特性发生了质的变化，呈现出许多奇怪的现象(如量子化效应、非局域量子相干效应、量子涨落和混沌、多体关联效应和非线性效应等)。)既不同于宏观物体，也不同于单独的孤立原子。(七种主要效应-表面效应、电子能级不连续效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应、介质限制效应)，“自顶向下”技术使用微机械加工和其他方法来