纳米材料1课件

1、中国石油大学（华东）理学院纳米 材S1料Nano Materials郝兰众理学院The aim of this missionis knowledge个人简介（personal resume）郝兰众山东师范大学物理系，物理学，学士学位电子科技大学，材料物理与化学，硕士学位 中国石油大学（华东）材料物理系教师 电子科技大学，材料科学与工程，博士学位中国石油大学（华东）材料物理与化学系教师1998-20022002-20052005-20082008-20122012至今主要研究领域：电子薄膜与器件、新能源材料与器件Phone-mail：“未来科学的发展将是继续向宏观世界

2、和微观世界挺进”！爱因斯坦走出宾馆看到地球十年后的假期会怎样：月球宾馆海底宾馆2013.09，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已成功测试运行，只包括了178个晶体管随着半导体芯片越做越小，人们担心，传统的摩尔定律（芯片上的晶体管密度每隔一年半就翻一倍）将走到尽头，而告别传统硅芯片的世界首台碳纳米管计算机旋即横空出世，这不仅意味着摩尔定律将会延寿，另外“硅”作为计算时代的“王者”的地位或将不保，硅谷的未来可能不再“姓硅”。不管怎样，计算设备体积越来越小，价格越来越便宜，性能越来越强大的趋势不会改变，对广大消费者来说都是利好消息。Science杂志评出2001年世界十大科技突破纳米技术领域获得

3、多项重大成果继在2000年开发出一批纳米级装置后，科学家今年再进一步将这些纳米装置连接成为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳米碳管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及只使用一个分子晶体管的可计算电路。分子水平计算技术的飞跃有可能为未来诞生极微小但极快速的分子计算机铺平道路。米片”列首位法。英国牛津大学等机构的研究人员发明出 材料制成只有一层原子的超薄纳米片。研究 于某些溶剂中，然后利用超声波对之进行振 子的纳米片。实验显示，氮化硼、二硫化钼 纳米片。本次研究所发明的方法简单快捷、 制备纳米片材料。纳米片可以制成各种薄膜 如用于生产半导体和下一代电子器件等。本 进步。超薄“纳1. 英国发明超薄“纳

4、米片”制备方 通用快捷的纳米片制备方法，能够将多种 人员说，只要将具有层状结构的原材料置 荡，就可以使这些材料分解成只有一层原 二硫化钨等物质都可以通过这种方法制成 成本低廉且产量高，有望在工业中大规模 根据原材料性质的不同而用于诸多领域， 次研究将可能为这些工业领域带来革命性Nature公布2011十大科技成果、，10. 荷兰制造出世界最小的分子“电动车”。这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算。Nature杂志封面报道了荷兰格罗宁根大学等机构的这项成果。他们合成的这个分子在中间有一根“主轴”，前后两端各有两个类似轮子的

5、结构。如果用特别小的探针碰一 下这个分子，为之提供电流，四个“轮子”就会开始旋转，驱动整个分子前行。在铜板表面对这辆“电动车”进行的测试显示，如果施加10次电流，它可以前进6纳米。这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。材料形态的演化石墨煤块金刚石碳材料石墨烯碳管C60H2原子和C纳米管多壁C纳米管C脚手架纳米变阻箱纳米技术的应用日本借核磁共振实现“盗梦”2013年04月07日00:08华商网-华商报日本京都ATR神经信息实验室的研究人员称这项研究“首次实现解码梦境”，人员首先利用核磁共振成像设备确定睡眠初期脑部的活跃区域 ，然后唤醒研究对象，询问他们梦中

6、所见，再将答案与成像片比对，建立数据库。研究人员利用这一数据库即可预测实验对象梦中图像，准确率60%，预测15种特定图像，包括男人、语言和书籍的准确率超过70%。英攻克磁共振成像新技术 有望增疾病监测效果 时间：2013-02-05 10:36:18 来源：中国科学报 磁共振成像（MRI）领域的一项新发现有望提高多发性硬化症等脑部疾病 的诊断率和监测效果。研究人员指出，来自英国诺丁汉大学彼得曼斯菲尔 德爵士磁共振中心的这一研究成果，可能会为医学界的磁共振成像提供一种新工 具。该项研究发表在日前出版的美国国家科学院院刊上，它揭示了利用新的磁共振成像技术生成的脑部图像为何对神经纤维走向如此敏感。“

7、脑科学时代”计划日本已制定“脑科学时代”计划，日政府在3月底结束的上一财政年度投入3500万美元，用于梦境与其他神经学研究 。“不过，研究成果今后也许能让人窥测他人的想法，我们会认真对待研究涉及的道德风险。”这项研究日后可以帮助人们通过 大 脑 指 挥 义 肢 ， 或 发 现 治 疗 痴 呆 和 其 他 关 联 大 脑 的 疾 病 。美国2日宣布，将投入1亿美元用于探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图 、 针 对 目 前 无 法 治 愈 的 大 脑 疾 病 开 发 新疗法。德国 、 英国 、 瑞 士 等 也 不 甘 落 后 ， 推出了本国的神经 科学研究计划。媒体指出，大国“脑计划”的深层动机

8、是为抢占脑科学研究及相关高科技技术战略制高点。课程教学内容纲要什么是“纳米”“纳米”发展历程纳米世界的“眼”和“手”“纳米”研究进展百花齐放的“纳米”纳米与人类生活纳米材料的制备10:18 PM具体内容及特点具体内容：纳米技术的发展、纳米材料的制备、结构形貌、性能特征等本课程特点：科普性强概念术语多 课程内容头绪多 理论计算少交叉学科（物理学、化学、生物、电子等）对大家的要求请不要迟到请不要喧哗请关闭通讯工具请按时交作业考核与成绩最终成绩= 平时成绩(30%)+期末考试成绩(70%)平时成绩：考勤，作业，课堂报告说明: 若有三次无故不上课者，考核成绩按不及格计。1. 同学们心中的“纳米”是什么

9、？2. 同学们知道的我们身边的那些“纳米”事？纳米是一个的尺度概念？10000000100000010000010000公里 10001001010.10.010.0010.0001(公尺)米毫米0.000010.000001微米0.00000010.000000010.000000001纳米单位：公尺仙女座星系1022m太阳系1.21013 m太阳1.4109m地球1.2107m新加坡4.2104m X2.3104m苍蝇长度7.5 mm珠穆朗玛峰高度8.9103m宏观领域恐龙 21m高楼 280m非州象高度3.3m兔子长度30 cm什么是纳米？纳米是英文nanometre的音译.纳米源自拉丁

10、语“NANO”,意为“矮小”.纳米是一种物理度量定位,是一长度单位.1纳米(1nm)=10-9m.纳米是“十亿分之一”米，也就是说1纳米10-9米0.000000001米英文的发音。纳米，最早又称之为毫微米，曾经记为m；英文 Nanometer（国际通用缩写为nm）； 台湾 称之为“奈米”，以示与大陆之别； 日本 称之为“”，纳米有多小把一纳米放在指甲上如同一只足球放在中国领土上纳米有多小蚂蚁：为什么要诬赖我我！不是我啦！1米DNA：其实是我啦！沒想到吧！哈哈！纳米有多小钉子红血球分子及DNA氢原子100万纳米1千纳米1 纳米0.1 纳米3510nm宇宙直径 1025 亿nm成人身高头发丝直径

11、血红细胞直径50,0008,000nmnm380780100可见光波长集成电路线宽nmnm氢原子直径0.10nm 0.1 纳 米10技0 n术m ?换算成纳米尺度国际上公认0.1100nm为纳米尺度空间纳米科技研究由尺寸在1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米材料学纳米生物学纳米化学纳米机械学 纳米加工学与传统学科纳米材料纳米加工技术纳米科技结合纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它作为基本单元构成的材料。纳米点(0维)纳米基本单元纳米丝、纳米棒、纳米管(1维).纳米薄膜、纳米多层膜(2维).纳米革命（1）“纳米”朋

12、友就在身边（2）我们生活在新时代（3）二十一世纪科技的三剑客（4）改造自然界的全新理念（5）用纳米科技改造世界1.“纳米”朋友就在身边从物理学的角度看，构成物质世界大楼的基本“砖块”，只不过60种基本粒子；（1） 夸克家族。它一共包括6种不同类型的夸克，它们是组成原子核或亚核粒子的最小微粒。（2） 轻子家族。它一共包括6种不同类型的轻子。我们熟悉的电子就是轻子家族的一员。（3） 传递力的粒子家族。其中有传递强力或核力的胶子，传递电磁力的光子和传递弱力的中间玻色子和Z粒子。（4） 反粒子家族。它是指对于夸克和轻子中每一种粒子都有相对应的反粒子，反粒子的特点是与原粒子的质量相同，但所带的电荷相反。

13、从化学的角度看，构成物质世界大楼的基本“砖块”，只有周期表上那110多种元素，而常用的仅50余种。但无机、有机的物质却有无穷无尽的种类呢。为什么大千世 界能如此造化？全是大自然这个魔术师变戏法的手段高，而 “奥秘”就藏身于纳米科技中。我们身边有“纳米”朋友吗？有！多极了！而且是老朋友了，只不过刚刚认识。自然界中的纳米现象予独爱莲之出淤泥而不染，浊清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭静植，可远观而不可褻玩焉！周敦頣爱莲说荷花、莲花、水芙蓉、藕花、芙蕖、水芝、水华、泽芝、中国莲荷叶是咱们的老朋友人们因此常称赞荷花出污 泥而不染的品 格，而且常常 用此作比喻，来歌颂战斗在敌人心脏的革命者的

14、伟大情操 。 在电影“与魔鬼打交道的人 ”中，以资本家 身份出现的男 、女主人公家中就挂了一幅荷 花图自勉。许多植物表面，如莲叶面具有超疏水 (superhydrophobicity) 及自 洁 (self-cleaning)的 特 性 。 莲叶 的疏水 、 不吸水的表面始终使叶 面保 持一尘不染。荷叶为什么能出污泥而不染？有些科普书中是这样解释的：“出水荷叶上濺了水滴，由于荷叶上有细毛，水不能吸附在荷叶上”。荷叶上有细毛这一点，凭手感就能觉察。但是，毛有多细？不知道！当时也不可能进行观察。我们能否仿效荷叶造出濺不上水的布料来？以前也不可能！连细毛具体什么样都不知道，如何进行模仿？人们早就希望

15、揭开荷叶具有疏水性能的的 奥秘，以便通过模仿荷叶表面的结构，制造出 应用于生活的各种各样的疏水材料。为什么会有这种“莲花效应”？用傳統的化學分子極性理論來解釋，解釋不通，恰恰是相反。荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，在自然环境中很容易吸附水分或污渍。從機械學的粗糙度、光潔度角度來解釋也不行，因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就 可以感到它的粗糙程度。經過德國科學家的長期觀察研究，即在1990年代初終於揭開了荷葉葉面的奧妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。蓮花效

16、应的证实世人對蓮葉的這些特性並不陌生，但真正有系統地研究與分析卻是最近幾年的事。1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhelm Barthlott針對這個特殊現象進行了一系列的實驗發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關係，因此創造了蓮花效應(Lotus effect)一詞，同時也擁有這個商標的專利權。從此以後，蓮花效應成了奈米科技最具代表性的名詞。最早發現蓮葉上奈米級顆粒的德國人Prof. Dr. Wilhelm Barthlott荷叶叶片上的多重纳米和微米级的超微结构在超高解析度電子顯微鏡下可以清晰看到：在荷葉葉面上佈滿著一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛在“山包”頂則又長出一個個

17、饅頭狀的“碉堡”凸頂。科学家们揭开奥秘图2 荷叶的表面微观结构（标尺：100微米）出淤泥而不染的莲花荷叶的表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个 乳 突 是 由 许 多 直 径 为 200 纳米左右的突起组成的。原来在“微米结构”上再迭加上“纳米结构”，就在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数“小山”，“小山”与“小山”之间的“山谷”非常窄，小的水滴只能在“山头”间跑来跑去，却休想钻到荷叶内部。于是荷花便有了疏水的性能。荷叶上的水珠附著灰尘的水珠，莲花效应因莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作 用 形 成 水 珠 ， 即水 与叶 面

18、 的 接 触 角angle)会大于140度，因此(contact只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。即使经过一场倾盆大雨，莲叶的 表面总是能保持 干燥；此外，滚动的 水珠会順便把一些灰 尘污泥的顆粒一 起帶走，达到自我洁淨的效果 ，这就是莲花总是能一尘不染。1.2 你听说过观音土吗？观音土又称“高岭土”、“糯米土”，又名膨土岩、斑脱石、甘土、皂土、陶土、白泥，是以蒙脱石为主要成分的粘土矿物，由于化学成分相当稳定，富含硅、锌、镁、铝等矿物质，被誉为“万能石”，化学分子简式：Al4(Si4O10)OH6，除Al2O3外，还含SiO2。在旧社会，穷人在青黄不接时或灾荒年间，常常靠吃观音土活命。最近，

19、中、外科学家们都开始关注观音土，因为人们发现观音土其实是一种天然的纳米孔材料！人造纳米材料有成团、难分散、不稳定三大困难，而且暂时还不能完全克服。自然界的“观音土”没有这三大困难。硅藻土是一种叫硅藻的单细胞藻类生物留下来的遗体。大约距今2500万年以前，硅藻曾是地球上的主人，几乎有水的地方就有它们的存在。后来硅藻死了，它们的残骸沉积到水底被埋藏起来形成了生物沉积岩，就是今天所看到的硅藻土。从电子显微镜所拍的照片，可见硅藻土的各种形态。它们的形体尺寸一般为几个微米到几十微米，最小也有一微米。提纯、改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能。其壳壁由非晶质二氧化硅（SiO2）和果胶组成

20、，壳缝为125 纳米左右。对壳壁上点纹（puncta）、线纹（stria）和肋纹（costa）观察后发现，原来它们都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在20100纳米。所以硅藻土是天然的纳米孔材料。1.3用徽墨写出的毛笔字为什么光泽好？我国的汉字是至今通行的世界上最古老的文字。从甲骨文经过金文、大篆、小篆、草书、隶书、楷书、行书发展到今天的汉字，已有3000多年的历史，在全世界还找不出第二种。汉字的优点之一是本身具有巨大的美感，是世界上能成为书法艺术品的最主要文字。用毛笔和黑墨创造书法艺术是我中华文化的一绝。电视剧乾隆王朝中，和珅让 管家刘全用后写的假信换回了几 年前向山东巡抚国泰通风报信的 真

21、书函，弄得国泰面对假信，虽 有隐情却无法申辩，只好被砍头。乾隆暗示十格格，自已已从假 信笔墨的新色彩识破了和珅的调 包计。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱（注：音tai）。烟炱是什么？它就是烟凝结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓精烟徽墨）（见图4徽墨及图5墨字）和树胶及少量香料及水分制成，所以很名贵。图4 徽墨精烟墨图5 王羲之夜乱贴（局部）从使用火开始，我们的祖先就同黑灰打交道了。从距今180万年前的山西芮城，170万年前的云南元谋，80万年前的陕西蓝田，60万年前的北京周口店山洞里，都发现了碳灰而碳灰的尺度大大小小，其中就有纳米级大小的颗粒，

22、甚至于在灰烬中已有今天才认识的碳纳米管和巴基球（C60）。我国的汉字青春常在，是否同我们祖先最早懂得使用火有必然的联系呢？2、我们生活在新时代在人类社会发展的漫长过程中 ，已经历过二次工业革命。进入21世纪以来我们正面临着第三次工业革命的到来。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

23、人类的脑力劳动， 促进了生产力的飞速发展。第三次工业革命：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。纳米技术将成 为21世纪的科技发展的领头羊。第二次工业革命（微米时代）第一次工业革命（毫米时代）第三次工业革命（纳米时代）图6 三个时代及其标志尺度3、二十一世纪科技三剑客人们公认影响21世纪的三大科技是：信息技术、生物技术和纳米技术。其中纳米技术又以其突出的交叉性和集成性，影响到信息技术和生物技术的

24、发展，它们三者的交叉、综合将诞生集大成的纳米生物技术或纳米生物信息技术。在人们极大地提高了获取和处理社会信息的能力之后，便会转向对生命信息的探索。图7中交叉领域即纳米电子学、纳米生物技术等将是今后影响人类社会的制高点，因为它们关系到国家安全、公共卫生和人类的健康和长寿。图7 三大高科技及其交叉领域窗学科，不仅要通晓微电子的知信息交叉学科：纳米电子学是一典型的交叉识技术，而且要理解纳米材料， 纳米结构的特殊规律性能；要 解决两门学科的衔接，融合问 题，需要具有多学科知识的， 综合性人才。4、改造自然界的全新理念在人类科技发展的历史长河中，始终有两个目标：一个是向着越来越大、越远的宏观世界进军，发

25、明了望远镜向着世界的广度进军，探索宇宙的起源和进化；另一个是向着越来越小、越深的微观世界发展，发明了各种显微镜、粒子加速器，向着分子、原子、原子核、基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构。在向着这两个极端目标无尽的征途中，人们蓦然回 首，发现我们对在这两端中间的介观层次，即原子分 子层次、纳米层次，却不甚了解。而这个层次才是对 人类自身关系最密切的物质层次，于是人们又回过头 “重整旧山河”，集中精力开展介观层次的纳米科技 的研究。人们发现，在l一100纳米的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。由于这一层次介于微观和宏观之间，科学家就把这一尺度范围称为“介观”。介观世界窗图8 人类探索世界的不同