LI纳米材料PPT--第1章_绪论2

1、纳米材料与纳米材料与纳米技术纳米技术 生物与化学工程学院生物与化学工程学院第一节课有关说明第一节课有关说明 目录“未来科学的发未来科学的发展将是继续向宏展将是继续向宏观世界和微观世观世界和微观世界挺进界挺进”！ 20世纪最伟大世纪最伟大 的科学家爱因斯坦的科学家爱因斯坦1m10-2010-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观山山太阳系太阳系地球地球星系团星系团星系星系原子原子原子核原子核DNA人人宏观领域：宏观领域：指人的肉眼可见的物体为最小物体开指人的肉眼可见的物体为最小物体开 始为下限，上至无限大的宇宙天体。始为下限，上

2、至无限大的宇宙天体。微观领域：微观领域：指以原子、分子为最大起点，下限是指以原子、分子为最大起点，下限是 无限。无限。介观领域：介观领域：介于宏观领域与微观领域之间的领域。介于宏观领域与微观领域之间的领域。 深邃的宇宙，星际茫茫。深邃的宇宙，星际茫茫。 从古到今，人类不断挑战太空。从古到今，人类不断挑战太空。中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神舟二号神舟二号”飞船运飞船运往发射工位往发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “神舟神舟”一号一号发射成功发射成功1999.11.20“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功2001.1.10中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”

3、号飞船号飞船“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功2002.3.25“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功2002.12.30“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”五号载人飞船五号载人飞船杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱2003年10月15日 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”六号载人飞船六号载人飞船2005年10月12日 费俊龙和聂海胜 2008年9月25日翟志刚、刘伯明、景海鹏 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”七号载人飞船七号载人飞船执行探月工程的执行探月工程的 “嫦娥一号嫦娥一号” “ “纳米和纳

4、米以下的结纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发构是下一阶段科技发展的一个重点，会是展的一个重点，会是一次技术革命，从而一次技术革命，从而将是将是2l2l世纪的又一次世纪的又一次产业革命。产业革命。” ” -钱学森钱学森 纳米材料这几年特别受人关注，我们经常在纳米材料这几年特别受人关注，我们经常在广告中能够看到，有什么纳米水，纳米洗衣机，广告中能够看到，有什么纳米水，纳米洗衣机，纳米冰箱，纳米住宅纳米冰箱，纳米住宅 。其实，纳米材料并不神。其实，纳米材料并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、米材料，如蛋白石、

5、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有制备纳米材料的实践也已有10001000年的历史，那年的历史，那就是中国的文房四宝之一：就是中国的文房四宝之一：墨墨。墨中重要成分。墨中重要成分是烟，实际上烟是由许多超微颗粒炭黑形成的。是烟，实际上烟是由许多超微颗粒炭黑形成的。烟那么轻，那么细，能在空气中袅袅升起，又烟那么轻，那么细，能在空气中袅袅升起，又可以在空气中消散。可以在空气中消散。 古人就是用桐油或优质松油在密不透风的古人就是用桐油或优质松油在密不透风的情况下使其不完全燃烧而气化，然后冷却成烟，情况下使其不完

6、全燃烧而气化，然后冷却成烟，再伴以牛皮胶等粘结剂和其他添加物制成石墨。再伴以牛皮胶等粘结剂和其他添加物制成石墨。 制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检技术。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米验也已证实为纳米SnOSnO2 2颗粒构成的薄膜。它们颗粒构成的薄膜。它们虽然算不上现代所说的纳米材料，但的确开创虽然算不上现代所说的纳米材料，但的确开创了纳米材料的先河。现代纳米材料是近二三十了纳米材料的先河。现代纳米材料是近二三十年才发展起来的。年才发展起来的。 那么那么, ,什么是什么是“纳米材料纳米材料”？

7、什么又是什么又是“纳米科技纳米科技”？目录目录第一章第一章 绪论绪论第一节、第一节、纳米纳米简介简介第二节、第二节、纳纳米科学技术的重要意义米科学技术的重要意义第三节、纳米材料的地位及研究特点第三节、纳米材料的地位及研究特点 第四节、第四节、纳米纳米材料的材料的历史、现状与发展历史、现状与发展趋势趋势第一节第一节、纳米的、纳米的简介简介一、基本概念：一、基本概念：第二节第二节、纳米科学技术的重要意义纳米科学技术的重要意义纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展 诺贝尔奖的获得者物理学家理查德诺贝尔奖的获得者物理学家理查德费曼，美国加州费曼，美国加州理工学院的教授，他理工学院的教授，他1

8、9591959年做了一个很激动人心的演讲年做了一个很激动人心的演讲底部还有很大空间底部还有很大空间，被公认为纳米技术思想的来源。被公认为纳米技术思想的来源。他说，我们现在加工材料，来制造装置，我们要从大到小，他说，我们现在加工材料，来制造装置，我们要从大到小，就是说，要加工一个桌子，那需要把木头不断地切，磨锯，就是说，要加工一个桌子，那需要把木头不断地切，磨锯，再刨光，如果说我们加工一个工具，那车磨铣刨都要来做，再刨光，如果说我们加工一个工具，那车磨铣刨都要来做，都是从大往小里做，那么，车下来的东西浪费了很多。但都是从大往小里做，那么，车下来的东西浪费了很多。但我们知道目前世界上任何我们知道目

9、前世界上任何东西都是由原子分子组成的，包括东西都是由原子分子组成的，包括我们人类自身，包括空气，大气，我们人类自身，包括空气，大气，海洋，桌子，麦克风等等都是由原子海洋，桌子，麦克风等等都是由原子分子组成分子组成的。 既然这样，我们能不能够把原子分子像既然这样，我们能不能够把原子分子像砖盖房子一样，盖成任何我们想要的东西，砖盖房子一样，盖成任何我们想要的东西，由下至上，由下至上，bottom upbottom up，来做成我们想要的，来做成我们想要的东西。如果这样的话，就没有污染了，因为东西。如果这样的话，就没有污染了，因为你需要什么，就拿什么放，对不对？而且是你需要什么，就拿什么放，对不对？

10、而且是高效率。高效率。 理查德费曼设想：有一天如果能按自有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的为真正意义上的“造物主造物主”。这是关于纳米。这是关于纳米技术最早的梦想。技术最早的梦想。 纳米科技的迅速发展是在纳米科技的迅速发展是在8080年代末、年代末、9090年代初。年代初。8080年年代初发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器代初发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫扫描隧道显微镜描隧道显微镜(STM)(STM)、原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM)等微观表征和操等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到

11、了积极的促进作用。纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。 扫描扫描隧道隧道显微镜显微镜(S(STM)M)的出现，标志着人类在对微观的出现，标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重尺度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要研究手段的要研究手段的S STM M也被形象地称为纳米科技的也被形象地称为纳米科技的“眼眼”和和“手手”。 所谓所谓“眼睛眼睛”，即可利用，即可利用STM直接观察原子、分子以直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。及纳米粒子的相互作用与特性。所谓所谓“手手”，是指，是指STM可用于移动原子、构造纳米结可用于移动原子、构造

12、纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。理论的微小实验室。纳米科技：纳米科技： 纳米科技是指在纳米尺寸范围纳米科技是指在纳米尺寸范围（1nm100nm）内认识和改造自然，通过直接安排原子、分子来内认识和改造自然，通过直接安排原子、分子来制造新物质的科学技术。制造新物质的科学技术。 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（子力学、介观物理、分子生物学）和

13、现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米加工学等。纳米科学技术被认为是世料学、纳米加工学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。纪之交出现的一项高科技。 第三节、纳米材料的地位及研究特点第三节、纳米材料的地位及研究特点 纳米材料在中国纳米材料在中国中国纳米材料进展中国纳米材料进展纳米材料研究的特点：第四节第四节纳米纳米材料的历史、现状材料的历史、现状 历史

14、历史、1、 3535亿年前，第一个细胞出现在地球上。细胞亿年前，第一个细胞出现在地球上。细胞内有很多纳米尺寸的细胞器，它们可以完成提供能量和控内有很多纳米尺寸的细胞器，它们可以完成提供能量和控制遗物质的作用。制遗物质的作用。 2 2、早在、早在10001000年前，我们的祖先就有了制造和利用纳米年前，我们的祖先就有了制造和利用纳米材料的历史，它们利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑，作为墨材料的历史，它们利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑，作为墨的原料及用做色的染料。的原料及用做色的染料。 3 3、考古学家观察到了几千年前制备的铜镜和古瓷器表考古学家观察到了几千年前制备的铜镜和古瓷器表面至今完好无损，这些表面至

15、今完好无损，这些表面面都是由纳米级晶粒组成；都是由纳米级晶粒组成； 4 4、19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德德 费曼预言：费曼预言：“对细微尺度事物的操纵，将大大增加我对细微尺度事物的操纵，将大大增加我们可能获得物性的范围。们可能获得物性的范围。”预示着人类可以用小的机器制预示着人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想，费曼的预子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想，费曼的预言引发了物理学家对纳米科学的兴趣。言引发了

16、物理学家对纳米科学的兴趣。 5 5、19681968年，贝尔实验室的阿尔佛莱德和约翰等人发年，贝尔实验室的阿尔佛莱德和约翰等人发明了分子束外延技术，这种技术可以在表面上沉积出单原明了分子束外延技术，这种技术可以在表面上沉积出单原子薄膜。子薄膜。 6 6、2020世纪世纪7070年代，科学家开始从不同角度提出有关年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。纳米科技的构想。19741974年，日本人年，日本人Taniguchi(Taniguchi(唐尼古奇唐尼古奇) )创造了纳米技术一词，创造了纳米技术一词，“nanotechnology”“nanotechnology”，即纳米，即纳米(n

17、ano)(nano)加工技术加工技术(technology)(technology)，这是人类最早使用纳米技，这是人类最早使用纳米技术一词描述精密机械加工，他的原意是表示公差为纳米尺术一词描述精密机械加工，他的原意是表示公差为纳米尺度加度加工技术。工技术。 7 7 19821982年，年，IBMIBM公司苏黎世实验室的科学家瑞士人海因公司苏黎世实验室的科学家瑞士人海因里希里希罗勒罗勒(Heinrich Rohrer)(Heinrich Rohrer)和德国人盖尔德和德国人盖尔德宾尼宾尼(Gerd Binnig)(Gerd Binnig)及其合作者发明了扫描隧道显微镜，利用及其合作者发明了扫描隧

18、道显微镜，利用这种技术可以分辨出单个的原子。这种技术可以分辨出单个的原子。19861986年，他们获得了诺年，他们获得了诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜的发明为我们揭示一个可见贝尔物理奖。扫描隧道显微镜的发明为我们揭示一个可见的原子、的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 8 8 1985 1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C C6060团簇，也团簇，也叫巴基球，叫巴基球，C C6060直径大约是直径大约是1 1纳米。纳米。 9 9 1990 1990年年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴月，第一

19、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。尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 1010 19931993年年，中国科学院中国科学院北京真空物理实验室自如地操北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出纵原子成功写出“中国中国”二字，标志着我国开始在国际纳二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。 1111 19931993年，美国北卡大学的年，美国北卡大学的罗宾奈特罗宾奈特和加州大学洛山和加州大学洛山矶分校的矶分校的威廉姆斯威廉姆斯利用利用扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜设计了一套虚拟现设计了一套虚拟现实系统。通过这个系统，使用者

20、可实系统。通过这个系统，使用者可“看到看到”并并“触摸触摸”原原子。子。 1212 1997 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电年，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子，利用这种技术可望在2020年后研制成功速度和存贮容量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；比现在提高成千上万倍的量子计算机； 1313 1998 1998年，荷兰德而夫特大学的德科尔小组制作了一年，荷兰德而夫特大学的德科尔小组制作了一碳纳米管晶体管。碳纳米管晶体管。 1999 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发

21、明了世界上最小的明了世界上最小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。联合创造的纪录。 1999 1999年，莱斯大学的退尔和耶鲁大学的里德展示了他年，莱斯大学的退尔和耶鲁大学的里德展示了他们的单分子开关器件。们的单分子开关器件。 2000 2000年，美国总统克林顿宣布成立国家纳米技术委员年，美国总统克林顿宣布成立国家纳米技术委员会，这极大地推动了在纳米

22、研究上的投资。会，这极大地推动了在纳米研究上的投资。 2000 2000年，爱格勒等人设计了量子透镜，透镜是由摆成年，爱格勒等人设计了量子透镜，透镜是由摆成椭圆形的原子链组成的，研究发现这个透镜可以使放在一椭圆形的原子链组成的，研究发现这个透镜可以使放在一边的磁性原子在透镜的另一侧产生一个相同磁性原子的边的磁性原子在透镜的另一侧产生一个相同磁性原子的“镜镜像像”。这意味着信息可以不通过导线传播。这意味着信息可以不通过导线传播。纳米材料的现状（下节课讨论）借助借助STMSTM搬运原子实例搬运原子实例 STMSTM具有空间的高分辨率具有空间的高分辨率( (横向可达横向可达0.04nm0.04nm，

23、纵向，纵向可优于可优于0 001nm)01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界。把人们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道它的基本原理是基于量子隧道效应和扫描效应和扫描。 它是用金属针尖为一电极，被测样品为另一电极。它是用金属针尖为一电极，被测样品为另一电极。当金属针尖靠近样品的距离小到当金属针尖靠近样品的距离小到1nm1nm左右，但还没有接左右，但还没有接触到样品时，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发触到样品时，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子就能生重迭，若在针尖和样品之间加上一个

24、偏压，电子就能通过其间而形成电流，就好象这段距离中有一条隧道，通过其间而形成电流，就好象这段距离中有一条隧道，电子可以轻易通过，形成电子可以轻易通过，形成隧道电流隧道电流。即使样品表面有原。即使样品表面有原子尺度的起伏，也会导致这种隧道电流的显著变化。通子尺度的起伏，也会导致这种隧道电流的显著变化。通过测量这种电流的变化就可以知道样品表面上原子的起过测量这种电流的变化就可以知道样品表面上原子的起伏。由于伏。由于STMSTM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际上掀起了研制和应用国际上掀起了研制和应用STMSTM的热潮，推动了纳米科技的热潮，推动了纳米科

25、技的发展。的发展。 经典理论和量子理论的差别经典理论和量子理论的差别 扫描隧道显微镜工作原理示意图扫描隧道显微镜工作原理示意图 扫描隧道显微镜虽然是一件扫描隧道显微镜虽然是一件“利刃利刃”，它也有，它也有不足：只能直接对导体和半导体进行研究，对于绝不足：只能直接对导体和半导体进行研究，对于绝缘体，它无能为力了。缘体，它无能为力了。 为了弥补这一不足，为了弥补这一不足，BinnigBinnig，Quate Quate 和和Gerber Gerber 于于19861986年发明了原子力显微镜年发明了原子力显微镜 （Atomic Force Atomic Force MicroscopyMicros

26、copy，简称，简称 AFMAFM）。与）。与STM相比， AFMAFM应用应用范围更广，可以用于绝缘体的研究，但其分辨率比范围更广，可以用于绝缘体的研究，但其分辨率比STM稍低。 AFMAFM是利用对微弱作用力极其敏感的探针来工是利用对微弱作用力极其敏感的探针来工作的。针尖与样品之间的作用力与距离有联系。当作的。针尖与样品之间的作用力与距离有联系。当针尖在样品上移动时，会随着样品表面原子的起伏针尖在样品上移动时，会随着样品表面原子的起伏而上下移动，记录针尖上下运动的轨迹就可以知道而上下移动，记录针尖上下运动的轨迹就可以知道样品表面的微观形貌信息。样品表面的微观形貌信息。德国德国JPK Ins

27、truments JPK Instruments 公公司生产的原子力显微镜司生产的原子力显微镜 原子力显微镜原子力显微镜“分选分选”和和“搬运搬运”分子分子 利用这两种显微镜，人们可以了解确切的纳米利用这两种显微镜，人们可以了解确切的纳米结构，甚至可以操纵原子，或人为地把纳米微粒整结构，甚至可以操纵原子，或人为地把纳米微粒整齐地排列起来，从而实现费曼的设想。齐地排列起来，从而实现费曼的设想。 在扫描隧道显微镜的针尖与样品之间加上一定在扫描隧道显微镜的针尖与样品之间加上一定的电场，就可以控制原子吸附到针尖上。将吸附了的电场，就可以控制原子吸附到针尖上。将吸附了原子的针尖移到特定的位置时，去掉电场

28、，原子就原子的针尖移到特定的位置时，去掉电场，原子就可以脱离针尖，放在样品表面。利用这种原理，扫可以脱离针尖，放在样品表面。利用这种原理，扫描隧道显微镜就可以实现对原子的操纵。描隧道显微镜就可以实现对原子的操纵。 利用原子力显微镜也可以操纵原子或分子。改利用原子力显微镜也可以操纵原子或分子。改变原子力显微镜针尖与样品之间的作用力的大小，变原子力显微镜针尖与样品之间的作用力的大小，就可以搬动样品表面的原子或分子。就可以搬动样品表面的原子或分子。 1990 1990年，年，IBMIBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用结舌的成果，他们在金

29、属镍表面用3535个惰性气体氙原个惰性气体氙原子组成子组成“IBM”IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现三个英文字母。科学家在试验中发现STMSTM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。位置吸住，再搬运到另一个地方放下。4 4、借助、借助STMSTM搬运原子实例搬运原子实例4、借助、借助STM搬运原子实例搬运原子实例 1991年，年，IBM公司的公司的“拼字拼字”科研小组用科研小组用STM针尖移动吸附在针尖移动吸附在金属表面的金属表面的CO分子，拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个分子，拼成了一个大脑袋

30、小人的形象。图中每个红团是单个红团是单个CO分子竖在铂表面上的图象，顶端为分子竖在铂表面上的图象，顶端为O分子，各个分子，各个分子的间距约分子的间距约0.5nm。这个。这个分子人分子人从头到脚只有从头到脚只有5nm高，堪称高，堪称世界上最小的人形图案。世界上最小的人形图案。 4、借助、借助STM搬运原子实例搬运原子实例 用用STM的针尖的针尖在铜表面用铁原子组成在铜表面用铁原子组成一个个地排一个个地排 列成列成“原子原子”二字二字，汉字的大小只有几个纳米。，汉字的大小只有几个纳米。 STM STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一

31、样拨来拨去。这不，科学家把算盘珠子一样拨来拨去。这不，科学家把C C6060分子每十个一分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的。需要指出的是，科学家并不是无聊到用拨弄台阶排列的。需要指出的是，科学家并不是无聊到用拨弄分子来打发时间，这项试验的真正意义在于希望有一天，分子来打发时间，这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构

32、造新的物质。造新的物质。 4、借助、借助STM搬运原子实例搬运原子实例 这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。4、借助、借助STM搬运原子实例搬运原子实例48个铁原子在铜

33、表面排列成直个铁原子在铜表面排列成直径为径为14.2 纳米的圆形量子栅栏纳米的圆形量子栅栏4、借助、借助STM搬运原子实例搬运原子实例 以上的实例虽然搬动的是几十个以上的实例虽然搬动的是几十个原子，可对全人类来说，却是开创原子，可对全人类来说，却是开创了人们按照自己的意志操纵原子的了人们按照自己的意志操纵原子的先河，开启了一扇通向未来的大门先河，开启了一扇通向未来的大门。 自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。如自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。如: : 1 1、天体的陨石碎片；、天体的陨石碎片； 2 2、人体和兽类的牙齿；、人体和兽类的牙齿； （由磷酸钙等纳米材料构成的） 3 3、“出淤泥而

34、不染出淤泥而不染”的荷化；的荷化；（荷叶表面有着复杂的纳米结构，从而在其表面形成一成荷叶表面有着复杂的纳米结构，从而在其表面形成一成极薄的空气层。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，落到极薄的空气层。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，落到叶面上，与叶面上，与叶面之间隔着一层空气。水在自身表面张力的叶面之间隔着一层空气。水在自身表面张力的作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰尘粘落，形成作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰尘粘落，形成“自清洁自清洁”现象。现象。） 自然界中的纳米材料自然界中的纳米材料4 4、“蜜蜂、鸽子、蝴蝶蜜蜂、鸽子、蝴蝶”的罗盘的罗盘腹部的磁性纳米腹部的磁性纳米粒子；粒子；（蜜

35、蜂外出时，将花草、树木等图像储存进纳米粒子；归来时，把所储蜜蜂外出时，将花草、树木等图像储存进纳米粒子；归来时，把所储存的图像与自己看到的图像进行比较和移动，直到这两个图像完全一致，存的图像与自己看到的图像进行比较和移动，直到这两个图像完全一致，它们就可以找回家了）它们就可以找回家了）5 5、螃蟹的横行、螃蟹的横行磁性粒子指南针定位作用的紊乱；磁性粒子指南针定位作用的紊乱；（亿万年前，（亿万年前，螃蟹并非横行，其第一对触角里有几颗磁性纳米粒子，可螃蟹并非横行，其第一对触角里有几颗磁性纳米粒子，可以定向；后来由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角里的那几颗以定向；后来由于地球的磁场发生多次剧烈

36、倒转，螃蟹触角里的那几颗磁性纳米粒子发生错乱，失去了正确指示方向的功能。）磁性纳米粒子发生错乱，失去了正确指示方向的功能。）6 6、海龟在大海中的巡航、海龟在大海中的巡航头部磁性粒子的导航；头部磁性粒子的导航；（磁性纳米粒子导航的功能，被大海龟发挥得淋漓尽致。美国东海岸佛磁性纳米粒子导航的功能，被大海龟发挥得淋漓尽致。美国东海岸佛罗里达有一种海龟，在海边产卵，当小海龟孵化出来后，就不远万里长罗里达有一种海龟，在海边产卵，当小海龟孵化出来后，就不远万里长途跋涉到大西洋的另一侧途跋涉到大西洋的另一侧靠近英国附近的岛屿生活。成年的海龟还要靠近英国附近的岛屿生活。成年的海龟还要回到佛罗里达产卵。历时回

37、到佛罗里达产卵。历时5-6年，悠哉游哉，环大西洋巡航几万公里。年，悠哉游哉，环大西洋巡航几万公里。）自然界中的纳米材料自然界中的纳米材料7 7、鹅、鹅“白毛浮绿水白毛浮绿水”（骆宾王七岁）；（骆宾王七岁）；（鹅在在水中戏耍而毛不会湿，是由于鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之鹅在在水中戏耍而毛不会湿，是由于鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。间的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。8、美丽的蓝天上飘着朵朵白云，白云就是纳米尺度的小水、美丽的蓝天上飘着朵朵白云，白云就是纳米尺度的小水滴形成的；秋雨刚过，大雾弥漫，雾也是由于空气中分散了滴形成的；秋雨刚过，大雾弥漫，雾也是由于空

38、气中分散了纳米尺度的水滴而形成的；烟、尘也是如此。纳米尺度的水滴而形成的；烟、尘也是如此。 纳米技术并不遥远，纳米材料神奇但并不神秘。纳米技术并不遥远，纳米材料神奇但并不神秘。自然界中的纳米材料自然界中的纳米材料 人工制备纳米材料的历史至少应该追溯到人工制备纳米材料的历史至少应该追溯到10001000多年前。多年前。 1 1、中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的、中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料就是最早的纳米材料。原料以及用于着色的染料就是最早的纳米材料。 2 2、中国古代的铜镜表面的防锈层经检验证实为纳米、中国古代的铜镜表面的防锈层经检验证实为纳米S

39、nOSnO2 2颗粒构成的一层薄膜，但当时人们并不知道这是由人颗粒构成的一层薄膜，但当时人们并不知道这是由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成。的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成。 3 3、约、约18611861年年, ,随着胶体化学随着胶体化学( (colloid chemistry)colloid chemistry)的建的建立。科学家们开始了对于直径为立。科学家们开始了对于直径为1 1-100nm-100nm的粒子系统即所谓的粒子系统即所谓胶体的研究胶体的研究, ,但是当时的化学家但是当时的化学家们并没有意识到在这样一个们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新层次，而是

40、从化学的角尺寸范围是人们认识世界的一个新层次，而是从化学的角度作为宏观体系中间环节进行研究。度作为宏观体系中间环节进行研究。8、人工制备纳米材料的历史、人工制备纳米材料的历史 4 4、人们自觉地制备纳米材料、人们自觉地制备纳米材料 从上世纪从上世纪6060年代开始，人们开始把纳米微粒作为研究年代开始，人们开始把纳米微粒作为研究对象来探索纳米体系的奥秘，从而用人工制造方法来获得对象来探索纳米体系的奥秘，从而用人工制造方法来获得纳米粒子。纳米粒子。 1963 1963年，年，Ryozi UyedaRyozi Uyeda及其合作者发展了所谓的气体及其合作者发展了所谓的气体蒸发法或称气体冷凝法。蒸发法

41、或称气体冷凝法。7070年代末到年代末到8080年代初，对纳米微年代初，对纳米微粒结构、形态和特性进行了比较系统的研究。描述金属微粒结构、形态和特性进行了比较系统的研究。描述金属微粒费米面附近电子能级状态的粒费米面附近电子能级状态的KuboKubo理论日臻完善。理论日臻完善。 最早用纳米微粒制备三维块状试样是原联邦德国萨尔最早用纳米微粒制备三维块状试样是原联邦德国萨尔蓝大学蓝大学GleiterGleiter教授，教授，19841984年他用惰性气体蒸发原位加压年他用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面纳米晶体法制备了具有清洁界面纳米晶体PdPd、CuCu、FeFe等。等。19871987年

42、美年美国国ArgonArgon实验室实验室SiegelSiegel博士用同样方法制备了纳米相材博士用同样方法制备了纳米相材料料纳米纳米TiOTiO2 2多晶体。多晶体。人工制备纳米材料的历史人工制备纳米材料的历史 人工制备纳米材料的历史人工制备纳米材料的历史碳的三种同素异形体的比较碳的三种同素异形体的比较金刚石金刚石空间四面体空间四面体石墨石墨层状结构层状结构C60空心球状结构空心球状结构C36C60C70C180轨道状轨道状层状层状Cu分形状分形状多孔状多孔状Au-足球状足球状洋葱状洋葱状单壁碳纳米管的类型单壁碳纳米管的类型单臂碳纳米管单臂碳纳米管锯齿形碳纳米管锯齿形碳纳米管手性形纳米管手性

43、形纳米管 C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管碳纳米管是一种非常奇特的材料，碳纳米管是一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状卷曲而成的笼状纤维纤维，内部是，内部是空的，外部直径只有几到几十纳空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的它的密度是钢的1/6，而强度却是，而强度却是钢的钢的100倍。用这样轻而柔软、又倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地绳索，是唯一

44、可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球的绳索。如果用它做成地球-月球月球乘人的电梯，人们在月球定居就乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。很容易了。奇妙的碳纳米管奇妙的碳纳米管“太空电梯太空电梯”的绳的绳索索 未来的能源材料之星未来的能源材料之星储氢合金储氢合金 从能源的角度来说，从能源的角度来说，2020世纪是石油的时代，世界世纪是石油的时代，世界围绕石油的竞争十分激烈，甚至引起战争。然而，围绕石油的竞争十分激烈，甚至引起战争。然而，随着世界石油的大量开采和消耗，这个石油的时代随着世界石油的大量开采和消耗，这个石油的时代还能维持多久呢

45、？这不能不引起人们的忧虑，总有还能维持多久呢？这不能不引起人们的忧虑，总有一天，石油时代终将结束，那么现代的动力能源从一天，石油时代终将结束，那么现代的动力能源从何而来？人类将如何生存？悲观绝望并不可取，但何而来？人类将如何生存？悲观绝望并不可取，但盲目乐观也很危险。从科学技术的角度来说，能源盲目乐观也很危险。从科学技术的角度来说，能源是无限的，风能水力不会终止，海水中蕴藏的能量是无限的，风能水力不会终止，海水中蕴藏的能量也是无限的，寻找新的能源，实现石油时代的平稳也是无限的，寻找新的能源，实现石油时代的平稳过渡将是人类面临的严重挑战。过渡将是人类面临的严重挑战。 未来的能源材料之星未来的能源

46、材料之星储氢合金储氢合金 氢是一种十分理想的能源，燃烧氢是一种十分理想的能源，燃烧1 1公斤氢公斤氢可可放出放出3400034000大卡大卡的热量，比的热量，比1 1公斤石油放出的热公斤石油放出的热量高量高两两倍，氢燃烧的产物是水，不会产生任倍，氢燃烧的产物是水，不会产生任何污染，而水又可以产生氢。所以，可以说何污染，而水又可以产生氢。所以，可以说氢是地球上取之不尽的最洁净的能源。但是氢是地球上取之不尽的最洁净的能源。但是这里产生一个不容忽视的问题，就是这里产生一个不容忽视的问题，就是氢气如氢气如何储存又如何运输呢？何储存又如何运输呢？ 气态气态 - 150 - 150 大气压大气压 钢瓶钢瓶

47、 储氢的传统方法储氢的传统方法 液态液态 - - 253 253 液化液化 钢瓶钢瓶 储氢储氢 金属或合金金属或合金 能吸收能吸收 H H2 2 的金属或合金。的金属或合金。 储氢金属或合金为什么能储存氢气？储氢金属或合金为什么能储存氢气？ 金属结构中存在着很多空金属结构中存在着很多空隙，氢元素较活泼，原子半径隙，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属起化学反应生成中去并和金属起化学反应生成金属氢化物。金属氢化物。 未来的能源材料之星未来的能源材料之星储氢合金储氢合金 放热放热 金属（合金）金属（合金）+ H2 储氢金属或合金储氢金属或合金 吸热吸热 一般储氢合金，吸收一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶氢气，其重量只有