纳米材料-青年教师讲课.ppt

1、,材料工程基础 纳米材料,Company Logo,内容,四、小结,三、纳米材料的性能及应用,二、纳米材料发展的历史,一、基本定义：纳米、纳米材料,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,纳米是一个长度单位1nm=10-9m 纳米材料：晶粒尺寸为1-100 nm的材料。,一、基本定义,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,二、纳米材料的发展历史,最早的纳米材料：文房四宝中的墨、铜镜表面的SnO2薄膜 1959年：理查德费曼首次提出了“纳米”材料的概念 1982年：格尔德宾宁和海因里希罗雷尔发明扫描隧道显微镜 1990年：人类首次操作原子写出IBM三个字 199

2、9年：纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元 现状：每周都有三、四种纳米产品上市（纳米食用油、纳米化妆品、纳米墙面漆、纳米收音机）,Company Logo,1990年美国IBM公司借助扫描隧道显微镜，在一小片镍晶体上用35个氙原“IBM”,用原子写的“原子”二字只有几个纳米大小,扫描隧道显微镜下的纳米世界,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,1990年，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标 志着纳米科学技术的正式诞生； 1993年，中国科学院真空物理实验室，首次操纵原子成功写出 “中国”二字。标志着我国开始纳米领域占有一席之地。 1997年

3、，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种 技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提 高成千上万倍的量子计算机。 1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到 500亿美元。,二、纳米材料的发展历史,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,小尺寸效应,宏观量子隧道效应,表面与界面效应,在纳米的世界里 材料性能发生 质的飞跃,量子尺寸效应,三、纳米材料的“特异”性能及应用,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,四、典型的纳米材料：纳米碳管,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,单壁纳米碳管 （1993，饭岛澄男）,

4、多壁纳米碳管 （1991，饭岛澄男）,四、典型的纳米材料：纳米碳管,4.1 纳米碳管(carbon nanotube)的发现,沈阳理工大学,Company Logo,4.2 碳纳米管的电学性质性质和应用,四、典型的纳米材料：纳米碳管,碳纳米管的性质强烈依赖于直径和手性,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,世界上最小的汽车-4 nm 纳米赛车2010-01-21,沈阳理工大学,材料学院连接所,4.2 碳纳米管的电学性质性质和应用,四、典型的纳米材料：纳米碳管,Company Logo,（a，b）串珠状纳米碳管，半导体纳米球异质结构（c）利用单根纳米结构制造的Schottky二

5、极管中科院化学所，朱道本院士、刘云圻研究员Advanced Materials, Vol.17, No.2,P217-221, 2005,4.2 碳纳米管的电学性质性质和应用,四、典型的纳米材料：纳米碳管,沈阳理工大学,Company Logo,Company Logo,4.3 碳纳米管独特的力学性质和应用 碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5 TPa， 测量报道 1.280.59 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，具有好的可弯曲性，可承受扭转形变，并可弯成小圆环，应力卸除后可完全恢复到原来状态；压力不会导致碳纳米管的断裂。,四、典型的纳

6、米材料：纳米碳管,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图,4.3 碳纳米管独特的力学性质和应用,四、典型的纳米材料：纳米碳管,沈阳理工大学,Company Logo,碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，成为最有潜力的储氢材料，用于发展纳米管燃料电池。 美国国立可再生能源实验室研究认为SWNT是唯一可用于氢燃料电池汽车的储氢材料。Nature1997386 (27) 377 379 The Journal of Physical Chemistry C，112 (14), 5598 -5604, 2008，Jianhui Lan

7、, Daojian Cheng, Dapeng Cao, and Wenchuan Wang,4.4 碳纳米管储氢上的应用,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,小尺寸效应,当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子波长等相当或更小时，在不改变化学成分的条件下，声、光、电、磁、热、力学等物理性均发生变化 。,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,小尺寸效应的特殊光学性质,白金和黄金变成黑色 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1。,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,小尺寸效应：蛾眼效应和太阳能电池板,应用物理快报（APL），92, 06

8、1112 (2008);,沈阳理工大学,Company Logo,纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面原子相对比例大，表面能高。 10cm表面原子数20%, 1nm即达99%，引起表面原子配合不全，导致表面活性点增加，而活性增大，极不稳定，很容易与其他原子结合。,表面与界面效应,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,表面与界面效应的应用：壁虎的脚,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片； （b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片； （c）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；

9、（d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。,沈阳理工大学,表面与界面效应的应用：壁虎的脚,Company Logo,量子尺寸效应,量子尺寸效应当纳米微粒的尺寸下降到某一值时，会产生比原子小的效应，即量子效应，产生新的物质，是20世纪新发现的自然现象。量子学的规律，适用于宏观又适用于微观，它揭示了光电子的能量与光强度无关，而与射散光的频率有关，在揭示经典物理的基础上，建立了新的概念和理论,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,宏观量子隧道效应,微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。纳米材料具有贯穿势垒的能力，这就使其物化反应需消耗的能量和催化剂减少，反应速度与效果递增,沈阳理工大学,材料学院连接所,Company Logo,埃里克纽特探讨了关于未来的一些重