材料化学24汇总

1、WHUT纳米材料纳米材料WHUT纳米尺度的电磁现象纳米尺度的电磁现象WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTC纳米管纳米管和和C60球球WHUTH2原子和C纳米管多层C纳米管WHUTC纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管WHUTC脚手架脚手架C60晶体管晶体管WHUT纳米变阻箱纳米变阻箱WHUTWHUTWHUTWHUTMgH2 块体块体鲱骨状鲱骨状WHUT轨道状轨道状层状层状WHUTCu分形状分形状多孔状多孔状Au-足球状足球状WHUT洋葱状洋葱状WHUTWHUT 145145个原子组成的个原子组成的1.9 1.9 nm nm 的半导的半

2、导体纳米颗粒体纳米颗粒WHUTWHUTWHUTWHUTWHUT1991年日本年日本NEC公公司饭岛等发现纳米碳司饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多管，立刻引起了许多科技领域的科学家们科技领域的科学家们极大关注极大关注 Nature (1991)WHUTWHUT 碳纳米管是由多个碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米，长度为几至几十微米。米。 碳纳米管可以因直

3、径碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导好的金属导电性或半导体性。体性。 WHUT具有极好的可弯折性具有极好的可弯折性WHUT具有极好的可扭曲性具有极好的可扭曲性WHUT碳纳米管可以制作成两维数据存储系统碳纳米管可以制作成两维数据存储系统 (10 (101515 bytes/cmbytes/cm2 2 compared to the current compared to the current state of the 10state of the 108 8 bytes/cm bytes/cm2 2) .) .WHUT。 碳纳米管的强度比钢高100多

4、倍，杨氏模量估计可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。WHUTAnother long single carbon nanotube (multiwalled carbon nanotube) attached to 4 gold contacts from above. This time, the inner two contacts are spaced by more than 1 micrometer.WHUTWHUTWHUT氮化硅纳米丝W

5、HUTSANDWICHMicroscopy methods reveal abrupt interfaces in an InAs/InP (green and orange, respectively) nanowire Au nanocontacts The pictures show two different examples of final configurations just before rupture of the contact.WHUT人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮WHUTT形和形和Y形结形结WHUT宏观量子隧道效应宏观量子隧道

6、效应小尺寸效应小尺寸效应表面效应表面效应WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，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大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸安米，而当颗粒尺寸减小到减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加微米以下时，其矫顽力可增加1千千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3微微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。米时，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

7、的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUT基本电特性基本电特性库仑堵塞库仑堵塞量子点量子点纳米电子学纳米电子学纳米晶体管纳米晶体管WHUT信息产业信息产业单电子单电子 器件器件磁电子磁电子 器件器件过滤器过滤器截止器截止器谐振器谐振器微电容微电容微电极微电极自旋电自旋电子器件子器件共振隧共振隧穿器件穿器件光电子光电子 器件器件巨磁电巨磁电阻器件阻器件量子点和分量

8、子点和分子电子器件子电子器件纳米结构器纳米结构器件纳米加工件纳米加工WHUT 纳米技术纳米技术新工业革命的主导技术新工业革命的主导技术高集成、高空间分辨率，存储密度：高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB 计算速度提高计算速度提高1001000倍、功率增加倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍倍WHUTWHUTWHUTWHUT例如，纳米银细粒径和构成粒子的晶粒直径分别减小至等于或小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温度上升呈线性下降，即电阻温度系数a由正变负。WHUTWHUTWHUT7nm27nm84nm258nm

9、WHUTWHUTWHUT当电极电压低于阈值时当电极电压低于阈值时,电子传输过程不能发生电子传输过程不能发生,当电压大于该值时当电压大于该值时,充电充电过程可以发生过程可以发生. 库仑阻塞的震荡特征库仑阻塞的震荡特征, 可应用于开关电路可应用于开关电路WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT纳米碳管晶体管纳米碳管晶体管 只需一个电子就可实现开关状态只需一个电子就可实现开关状态 2001年7月6日出版的美国科学周刊报道，荷兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们

10、使用一个单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压下通过。 用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分之一。 对于致力于开发出更小的电脑芯片的研究员来说，单电子晶体管概念越来越有吸引力。因为这种特殊的单电子晶体管只需要一个电子来实现“开”和“关”状态，即计算机中的“0”和“1”，相比之下，普通微电子学中的晶体管使用数百万个电子来实现开、关状态。正因以上优点，单电子晶体管将成为未来分子计算机的理想材料。WHUTNanotube field-effect tr

11、ansistorTransistors are the basic building blocks of integrated circuits. To use nanotubes in future circuits it is essential to be able to make transistors from them. We have successfully fabricated and tested nanotube transistors using individual multi-wall or single-wall nanotubes as the channel

12、of a field-effect transistor .WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT纳米磁极纳米磁极6极4极8极WHUT2纳米微晶型纳米微晶型 * 纳米微晶永磁材料纳米微晶永磁材料 * 纳米微晶软磁材料纳米微晶软磁材料3纳米结构型纳米结构型 * 人工纳米结构材料人工纳米结构材料 薄膜，颗粒膜，薄膜，颗粒膜， 多层膜，隧道结多层膜，隧道结 * 天然纳米结构材料天然纳米结构材料 钙钛矿型化合物钙钛矿型化合物1纳米颗粒型纳米颗粒型 * 磁记录介质磁记录介质 * 磁性液体磁性液体 * 磁性药物磁性药

13、物 * 吸波材料吸波材料WHUTWHUT纳米尺度的磁畴纳米尺度的磁畴WHUTWHUTWHUTWHUT科科学学基基础础中间领域的中间领域的重大发现重大发现科学框架科学框架的建立的建立纳米技术的纳米技术的产业革命产业革命WHUT纳米科学的内涵纳米科学的内涵制高点制高点n-电子学电子学n-加工加工n-生物生物基基 础础n-材料材料n-材料材料基基 础础纳米物理纳米物理纳米化学纳米化学纳米力学纳米力学WHUT纳米技术纳米技术医疗药物医疗药物环境能源环境能源宇航交通宇航交通生物农业生物农业电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全新材料新材料制制 造造传统产业传统产业纳米技术对关键问题的影响纳米技术对

14、关键问题的影响WHUT节省能源节省能源利用资源利用资源优化环境优化环境新工业革命新工业革命WHUT环环 境境纳米技术能消除水中小于纳米技术能消除水中小于200nm和空气中小于和空气中小于20nm的污染物。的污染物。环境探测器环境探测器纳米结构反应器纳米结构反应器WHUT能能 源源新能源发现：新能源发现： 非可燃气体非可燃气体 NT 可燃气体可燃气体提高能量提高能量转化效率转化效率太阳能太阳能 30% 电能电能氢能源利用氢能源利用海底天然气利用海底天然气利用 热能热能 提高提高10% 电能电能化学能化学能 长寿高效长寿高效 电能电能WHUT生物、医药生物、医药纳米的靶向药物纳米的靶向药物高效缓释

15、药物高效缓释药物细胞内传感器细胞内传感器生物芯片生物芯片纳米生物探测技术纳米生物探测技术WHUT新材料新材料轻质、高强轻质、高强多功能，智能，自清洁多功能，智能，自清洁高聚物和纳米复合物高聚物和纳米复合物高表面积多孔材料高表面积多孔材料 净化、分离、催化净化、分离、催化生物相容、自我调整生物相容、自我调整 药物分配器药物分配器WHUT 用作发用作发光二极管、激光二极管、激光二极管，实光二极管，实现全硅现全硅光电集光电集成成WHUTWHUT 碳纳米管碳纳米管是是由碳原子按一定规则由碳原子按一定规则排列形成的排列形成的空心笼状空心笼状管式结构管式结构，其直径不，其直径不超过超过几十纳米几十纳米。导

16、电。导电性强、场发射性能优性强、场发射性能优良、强度是钢的良、强度是钢的100100倍倍、韧度高等，是一种、韧度高等，是一种用途广泛的新材料。用途广泛的新材料。WHUTWHUTWHUT更令人惊奇的是，最近美国、中更令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的流中出现的摆频率时摆频率时，发现可，发现可以测出纳米管上以测出纳米管上极小微粒引起极小微粒引起的变化的变化，从而发明了能称量，从而发明了能称量亿亿亿分之二百克亿分之二百克的单个病毒的的单个病毒的“纳米秤纳米秤”。这种世界上最小的。这种世界上最小的

17、秤，为科学家区分秤，为科学家区分病毒种类，病毒种类，发现新病毒作出了贡献。发现新病毒作出了贡献。WHUT 在航天事业中，在航天事业中，利用碳纳米管制造人利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅造卫星的拖绳，不仅可以为可以为卫星供电卫星供电，还，还可以耐受很高的温度可以耐受很高的温度而不会烧毁。而不会烧毁。WHUTIntramolecular Nanotube JunctionsWHUT Bachtold, et al.,Science, Nov. 2001WHUTH2WHUTWHUT已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。WHUTWHUTWH

18、UT 以粒径小于以粒径小于300300nmnm的的NiNi和和Cu-ZnCu-Zn合金的超细微粒合金的超细微粒为主要成分制成的催化为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化效率提高到传统镍催化剂的剂的1010倍倍。WHUTIBM: Quantum Corrals (Stadium) Don Eigler IBM量子栅栏和海市蜃楼现象WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTCharles BabbageThe Babbage Difference Engine No. 1WHUTWHUTWHUT Vacuum tubes we

19、re expensive, Vacuum tubes were expensive, relatively large and consumed relatively large and consumed considerable amounts of power.considerable amounts of power. Principle problem was with the Principle problem was with the reliability of the tubes. They reliability of the tubes. They suffered vac

20、uum leaks which caused suffered vacuum leaks which caused the devices to malfunction, and the devices to malfunction, and repeated heating of the repeated heating of the cathodecathode would eventually causewould eventually cause the valve to the valve to blow. blow. WHUTENIAC, built in 1946, (Elect

21、ronic Numeric Integrator and ENIAC, built in 1946, (Electronic Numeric Integrator and Calculator), contains 17,468 vacuum valves. Calculator), contains 17,468 vacuum valves. WHUTKilby made this out of Germanium.Photo Courtesy of Texas Instruments The First IC p-t ype si l i con waf er -t ypeN O xi d

22、e G at e -t ypeN M et al M et al M et alSour ceDr ai nA planar MOSFET as implemented in an integrated circuitWHUTPhoto Courtesy of Texas Instruments WHUT2000 Pentium 4 Processor Source: Intel WHUTMoores Law, not a law of nature.It is more like an engineers rule of thumb, capturing the pattern in the

23、 trend of microchip production.Currently the claim is the number of devices we can cram into a chip double every 18 months. 1946 2001WHUTWHUTWHUT间谍草间谍草机器苍蝇机器苍蝇蚊子导弹蚊子导弹蚂蚁士兵蚂蚁士兵麻雀卫星麻雀卫星WHUTDecember 15, 2000“麻雀卫星”质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进

24、行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。WHUTWHUTWHUTGold Nanoparticles: Gold nanoparticles studded with short segments of DNA could form the basis of an easy-to-read test for the presence of a genetic sequence (black) in a sample under study. DNA complementary to half of such a sequence (red) is attached to on

25、e set of particles in solution, and DNA complementary to the other half (blue) is attached to a second set of particles. If the sequence of interest is present in the sample, it will bind to the DNA tentacles on both sets of spheres, trapping the balls in a dense web. This agglomeration will cause t

26、he solution to change color (from red to blue)Source: Scientific AmericaWHUTClever Cantilever: Biological samples can be screened for the presence of particular genetic sequences using small cantilevers of the type employed in AFM. The surface of each cantilever is coated with DNA able to bind to on

27、e particular target sequence. A sample is then applied to the cantilevers. Binding induces a surface stress, which bends the affected cantilevers by nanometers-not much, but enough to reveal that the bent cantilevers found their specific targets in a sample.Source: Scientific AmericaWHUTImproved Ima

28、ging: Improved or new contrast agents would detect problems at earlier, more treatable stages. They might, for instance, reveal tumors (red) only a few cells in size. Source: Scientific AmericaWHUTMagnetic Tags: Many tests reveal the presence of a molecule or disease-causing organism by detecting th

29、e binding of an antibody to that target. When antibodies labeled with magnetic nanoparticles bind to their target on a surface (foreground), brief exposure to a magnetic field causes there probes collectively to give off a strong magnetic signal. Meanwhile unbound antibodies tumble about in all dire

30、ctions, producing no net signal. This last property makes it possible to read the results without first washing away any probes that fail to find their target. Source: Scientific AmericaWHUTWHUTLatex Beads: Latex beads filled with quantum dots of single colors glow at nearly the same wavelength as t

31、he dots themselves. Researchers have also loaded selections of different dots into single beads. Their aim is to create a huge variety of distinct labels for biological tests. Source: Scientific AmericaWHUTNano Bar Codes: Latex beads filled with several colors of nanoscale semiconductors known as quantum dots can potentially serve as unique labels for any number of different probes. In response to light, the beads would identify themselves (and, thus, their linked probes) by emitting light that separates into a distinctive spectrum of colors and intensities- a kind of spectr