神奇的纳米材料课件

神奇的纳米材料和纳米技术暨南大学物理学系麦文杰博士科学新视野1神奇的纳米材料和纳米技术暨南大学物理学系科学新视野1纳米技术很可能是连接粒子现象和太空现象的技术连接童话世界和未来世界的技术

2科学新视野5/19/20202科学新视野尺寸现象怪蟒3科学新视野5/19/2020尺寸现象怪蟒3科学新视野太空穿梭机SpaceShuttle现在情况:总共建造了5架太空穿梭机,Columbia,Challenger,Discovery,AtlantisandEndeavour.每次有效载荷50,000

磅(22,700

千克)大约每年每架飞行1次SpaceShuttleAtlantis4科学新视野5/19/2020太空穿梭机SpaceShuttle现在情况:Space童话世界5科学新视野5/19/2020童话世界5科学新视野未来世界6科学新视野5/19/2020未来世界6科学新视野太空升降机一个梦想?(1)太空升降机基本设计目的就是使人们能够连续不断地把物质从地球表面运送到太空优点:Spaceelevatorstructuraldiagram有效载荷每千克成本穿梭机22,700

千克~5000美元升降机连续~500美元物理的角度7科学新视野5/19/2020太空升降机一个梦想?(1)太空升降机基本设计目的就是使太空升降机一个梦想?(1)建材钢的特征应变－应力曲线1.极限强度2.屈服强度3.断裂强度4.应变硬化阶段5.颈缩破坏阶段这升降机的缆绳的性能要求很高，必须有非常高的强度/密度比。如果材料的密度跟石墨接近的时候，强度需要达到65–120GPa。材料屈服强度(MPa)

极限强度(MPa)

密度(g/cm³)

钢,ASTMA5146907607.8凯夫拉尔（Kevlar）纤维36201.44碳纳米管620001.34应变应力材料的角度8科学新视野5/19/2020太空升降机一个梦想?(1)建材钢的特征应变－应力曲线太空升降机一个梦想?(1)碳纳米管的强度/密度比大约是钢的200－600倍，因此可能成为太空升降机的材料。单壁碳纳米管的三维模型9科学新视野5/19/2020太空升降机一个梦想?(1)碳纳米管的强度/密度比大约是把梦想变成现实教导“纳米基本知识”寻找机会产生新想法提供概念制造原型商业化产品取得价值制造工作岗位10科学新视野5/19/2020把梦想变成现实教导“纳米基本知识”10科学新视野本堂课程提纲基本概念纳米的起源和发展观察纳米世界的主要工具纳米技术包括的方面纳米材料纳米加工技术纳米生物医药11科学新视野5/19/2020本堂课程提纲基本概念11科学新视野1.基本概念

纳米(nanometer,nm)

＝十亿分之一米（10-9m）1nm与1m相比，相当于玻璃弹珠跟地球相比当一个男人把剃须刀放下那一小段时间，胡子已经长了大约1nm分子中原子之间间隔是0.12-0.15nmDNA双螺旋结构的直径～2nm最小的细胞（Mycoplasma细菌）长度～200nm12科学新视野5/19/20201.基本概念纳米(nanometer,

纳米技术研究的是至少在一个维度上已经进入纳米尺度（0.1-100nm)范围的材料或者器件的相关现象。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。包括了纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。0D量子点，纳米颗粒1D碳纳米管，各种纳米线2D薄膜13科学新视野5/19/2020纳米技术研究的是至少在一个维度上已经进入纳米尺度14科学新视野5/19/202014科学新视野2.纳米的起源和发展1959年美国物理学家费曼（RichardFeynman）首先提出，组装原子或分子是可能的。15科学新视野5/19/20202.纳米的起源和发展1959年美国物理学家费曼（Rich1981年观察原子世界的主要工具－－扫描隧道电子显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，STM）诞生BinningandRohrerAnSTMimageofasiliconsurface-eachbumpisoneatom16科学新视野5/19/20201981年观察原子世界的主要工具－－扫描隧道电子显微镜（S1985年美国RiceUniv.科学家RichardSmalley等人发现了Buckminsterfullerene，C6017科学新视野5/19/20201985年美国RiceUniv.科学家Richard1989年IBM科学家利用STM把35个氙（Xenon）原子在光滑表面排列出IBM三个字母，实现对单个原子的操纵。18科学新视野5/19/20201989年IBM科学家利用STM把35个氙（Xenon）1991年日本科学家Iijima发表了关于碳纳米管（CNT）的研究，激起了世界范围对纳米科技的研究热情19科学新视野5/19/20201991年日本科学家Iijima发表了关于碳纳米管（CNT2001年当时美国总统Clinton建立了NationalNanotechnologyInitiative(

NNI)，以推动和协调美国的纳米研究。ThecoversofthereportsfromtheNationalNanotechnologyAdvisoryPaneltoUSPresident.20科学新视野5/19/20202001年当时美国总统Clinton建立了National3.观察纳米世界的主要工具扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）21科学新视野5/19/20203.观察纳米世界的主要工具21科学新视野3.1扫描隧道显微镜(STM)量子力学起基本作用扫描隧道显微镜的基本原理刻蚀的钨针尖扫描隧道显微镜的照片22科学新视野5/19/20203.1扫描隧道显微镜(STM)量子力学起基本作用扫描隧道显3.2原子力显微镜（AFM）原子力显微镜的示意图接触模式下扫描样品表面针尖：23科学新视野5/19/20203.2原子力显微镜（AFM）原子力显微镜的示意图接触模式工作原理的示意图展示原子力显微镜的工作情况的小电影24科学新视野5/19/2020工作原理的示意图展示原子力显微镜的工作情况的小电影24科学新主要功能－－表面成像轻敲模式下得到的硅（111）表面的三维形貌。单原子层台阶（0.3nm)清楚可见。轻敲模式下得到的氧化锌纳米线放在有刻槽的硅衬底上。25科学新视野5/19/2020主要功能－－表面成像轻敲模式下得到的硅（111）表面的三维形主要功能－－力学测量肌联蛋白（Titin）的伸展典型的力学曲线26科学新视野5/19/2020主要功能－－力学测量肌联蛋白（Titin）的伸展典型的力学曲基于原子力显微镜的力学测量碳纳米管力学测量：中点力学曲线测试示意图KCCBM=192EI/L327科学新视野5/19/2020基于原子力显微镜的力学测量碳纳米管力学测量：中点力学曲线测试3.3扫描电子显微镜（SEM）场发射SEM的放大倍数：～1百万倍最小分辨率：～1nm28科学新视野5/19/20203.3扫描电子显微镜（SEM）场发射SEM的放大倍数：～29科学新视野5/19/202029科学新视野3.4透射电子显微镜（TEM）相对论修正：德布罗意波长：30科学新视野5/19/20203.4透射电子显微镜（TEM）相对论修正：德布罗意波长：3波长加速电压V未修正计算的电子波长nm相对论修正后的计算的电子波长nm1000.122860.12286100010,000100,0000.003890.003711,000,0004,000,00031科学新视野5/19/2020波长加速电压V未修正计算的相对论修正后的计算的电子波长n32科学新视野5/19/202032科学新视野本堂课程提纲基本概念纳米的起源和发展观察纳米世界的主要工具纳米技术包括的方面纳米材料纳米加工技术纳米生物医药33科学新视野5/19/2020本堂课程提纲基本概念33科学新视野4.1纳米材料CarbonNanotube34科学新视野5/19/20204.1纳米材料CarbonNanotube34科学新视野35科学新视野5/19/202035科学新视野TiO2纳米材料染敏太阳能电池36科学新视野5/19/2020TiO2纳米材料染敏太阳能电池36科学新视野纳米结构帮助的自清洁效应37科学新视野5/19/2020纳米结构帮助的自清洁效应37科学新视野

纳米金属颗粒易燃易爆几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。38科学新视野5/19/2020纳米金属颗粒38科学新视野4.2纳米加工技术微电子加工技术迈入纳米时代1965年，Intel的创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出了著名的摩尔定律：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。39科学新视野5/19/20204.2纳米加工技术微电子加工技术迈入纳米时代196CrosssectionalTEMimageofatransistor40科学新视野5/19/2020CrosssectionalTEMimageofa4.3纳米生物医药41科学新视野5/19/20204.3纳米生物医药41科学新视野结束语

微小技术将带来巨大回报42科学新视野5/19/2020结束语42科学新视野习题1对于边长为1m，体积为1立方米（m3）的立方形固体，它的表面积是6平方米（m2）。如果把它切成边长为1mm的小立方体，它们的总表面积是多少？如果把它进一步切成边长为1nm的更小立方体，它们的总表面积是多少？由此可见，巨大表面积带来的表面效应，是纳米材料与宏观材料不一样的原因之一。请举出例子说明纳米材料的应用，以及为什么需要该纳米材料。43科学新视野5/19/2020习题1对于边长为1m，体积为1立方米（m3）的立方形固体，它Artmetropolisburstingdisorder44科学新视野5/19/2020Artmetropolisburstingdisorde45科学新视野5/19/202045科学新视野

ThankYou!46科学新视野5/19/202046科学新视野47科学新视野5/19/202047科学新视野课后习题1Klever=2nN/nmKsilicon=∞KZnO=?如果纳米线长1um，直径100nm，请计算纳米线的弹性模量E。提示：48科学新视野5/19/2020课后习题1Klever=2nN/nm48科学新视野课后习题2对于一个球体，半径为R，表面能正比于表面积，表达为(-δS),化学能正比于体积，表达为（gV)。表面能与化学能关系49科学新视野5/19/2020课后习题2对于一个球体，半径为R，表面能正比于表面积，表达为1990年首届国际纳米技术科技会议在美国巴尔的摩（Baltimore）举办50科学新视野5/19/20201990年首届国际纳米技术科技会议在美国巴尔的摩（Balt一道习题Klever=2nN/nmKsilicon=∞KZnO=?如果纳米线长1um，直径100nm，请计算纳米线的弹性模量E。提示：51科学新视野5/19/2020一道习题Klever=2nN/nm51科学新视野工作原理－－轻敲模式轻敲模式的悬臂：矩形由纯硅制造轻敲模式下扫描样品表面52科学新视野5/19/2020工作原理－－轻敲模式轻敲模式的悬臂：轻敲模式下扫描样品表面5太空穿梭机SpaceShuttleCurrentsituation:Atotaloffiveusableorbiterswerebuilt,Columbia,Challenger,Discovery,AtlantisandEndeavour.50,000

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