纳米材料及其技术应用前景课件

1、 清华大学材料系纳米材料及其技术应用前景1一 纳米材料的定义 二 纳米材料的发展历程三 纳米材料的特性 3.1 纳米材料的表面效应 3.2 纳米材料的体积效应 3.3 纳米材料的量子尺寸效应 四 纳米材料的合成方法4.1 物理法 4. 2 化学反应法2 五 纳米材料的应用热点 5.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用 5.2 纳米技术在微电子领域方面的应用 5.3 纳米技术在生物工程方面的应用 5.4 纳米技术在环保领域方面的应用 5.5 纳米技术在分子组装方面的应用 5.6 纳米技术在国防工业领域方面的应用 5.7 纳米技术在其它领域方面的应用3 六、 我国在纳米材料领域所取得的成果 七、世界纳

2、米战略及纳米市场 八、纳米技术研究与开发的动向与难点 九、我国“十五”“863”纳米专项规划4一 纳米材料/纳米技术的定义纳米材料：是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100-102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。5纳米技术：纳米技术（纳米科学与技术的简称）研究在0.1-100纳米尺度范围的物质世界，其实质就是要操纵原子和分子,目的是直接用原子和分子制造具有特定功能的产品。纳米技术是由物理学、化学、生物学以及电子学等各个学科交叉形成的新兴学科。包括：纳米材料学；纳米电子学；纳米动

3、力学；纳米生物学和纳米药物学。6纳米技术的研究内容： 创造和制备优异性能的纳米材料。 设计、制备各种纳米器件和装置。 探测和分析纳米区域的性质和现象。 生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。7二、纳米材料发展历程 1860,胶体化学诞生，开始对粒径约1100nm胶体粒子进行研究。1929,Kohlshuthe用金属作电极，在空气中进行弧光放电，制得金属氧化物溶胶。1940,Ardeume首次利用TEM对金属氧化物的烟状物进行观测和研究。1945,Buk提出在低压惰性气体中获得金属超微颗粒的蒸发方法。1959,P.Feynman发表演讲，预言该类材料的特殊性能。

4、1962,R.Kubo发现金属超微粒子与块状物质的热性质不同，提出Kubo效应。1975,日本、法国、美国科学家利用NMR、TEM、XRD对纳米粒子进行研究。81984，Gleiter、Siegel利用原位加压成形得到纳米微晶块体。1989，IBM公司的科学家实现用单个Xe原子排列拼写出“IBM”商标。1990，在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议；我国在中科院固体物理所召开首次纳米固体讨论会。1991，Iijima制备出直径为410m的多壁碳纳米管。1992，我国首次把“纳米材料科学”列入“攀登计划”。93至今，纳米材料及其技术开始蓬勃发展。9三个发展阶段： 第一阶段（1990年以前）：实

5、验室探索制备纳米颗粒粉体，合成块体。 第二阶段（1994年前）：设计合成纳米复合材料。 第三阶段（从1994年）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构。10 Fe原子排列成的汉字“原子” 1148个铜原子构成圆形，电子相互干涉形成干涉波12的无痛型微型针放在指尖上的四百支排列整齐13 被囚禁冷却的原子和“原子激光”14 用光刻技术做成的微米尺寸的微机械15纳米碳管16纳米陶瓷17 纳米金属铜的超延展性18三 纳米材料的特性1、纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上变化。 表面原子数与粒径的关系 192 纳米材料的体积效应

6、 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。久保理论：认为相邻电子能级间距和金属纳米粒子的直径d的关系为： =4EF/3N V-1 1/d3 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。203 纳米材料的量子尺寸效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。它将导致声、

7、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。21四、纳米材料的合成技术（1）粒子纯度及表面的清洁度高（2）粒子粒径及粒度分布可控（3）粒子几何形状规一，晶相稳定性好（4）粉体无团聚或团聚程度低。22方 法制 备特 点物蒸发冷凝法用真空蒸发,激光,电弧高频感应等法使原料气化或形成等离子体,然后骤冷使之凝结。纯度高,结晶组织好,粒度可控,但技术设备要求高.理方法物理粉碎法通过机械粉碎,电火花等法制得纳米粒子。操作简单,成本较低,但易引进杂质降低产品纯度，机械合金法利用高能球磨法，控制适当的条件，以制得纳米材料。颗粒分布也不均匀。气相沉积法利

8、用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需物质。原料精炼容易，产物纯度高，粒度分布窄。化学沉淀法把沉淀剂加入到金属盐溶液中，反应后将沉淀热处理。操作简单、易引进杂质，难制得粒径小纳米粒子化学水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成纳米粒子。粒子纯度高，分散性好，晶形好，且大小可控。方法溶胶凝胶法利用金属醇盐在不同pH值的水解剂中水解合成纳米粒子。粒子纯度高，粒度小，粒度分布窄。溶剂蒸发法把溶剂制成小滴后进行快速蒸发，合成纳米粒子。粒子的粒径小，分散性好，但操作的要求高。微乳液法金属盐和沉淀剂形成微乳状液，控制胶粒成核和生长，热处理后得到纳米粒子。粒子的单分散性好，但粒径较大，粒径的控制也

9、较困难。23五、纳米材料的应用热点纳米技术一旦成熟，以下梦想将会变为现实：1. 用碳原子“积木”生产大量物美价廉的钻石。2. 用只有方糖大小的机器，利用空气和阳光建造房屋。3. 利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料。4. 利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中，控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。5. 制造纳米人造昆虫在温室传播花粉和杀死害虫。6. 将药物储存在纳米材料中，通过一定机制来激发药剂的释放，制成可控药剂。7. 合成纳米“智能炸弹”，能够进入并摧毁单个的癌细胞。245.1 纳米材料在陶瓷领域方面的应用 传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应

10、用受到了较大的限制。英国著名材料专家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性战略途径。 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。 纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180经受弯曲而不产生裂纹。如果控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，具有广阔的应用前景255. 2 纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，目前，利用纳米电子学已经研制成功各

11、种纳米器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器已经问世。早在1989年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。日本的Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能。另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs半导体衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。 目前，美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个

12、针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。265.3 纳米技术在生物工程上的应用 科学家设法用显微操作技术移动果蝇染色体的基因，结果培育出了比正常果蝇多长了一个胸脯和翅膀的果蝇，科学家已经可以通过基因操作把果蝇的眼睛搬到不该有眼的地方，把翅膀搬到不该长翅膀的地方。 分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。虽然分子计算机目前只是处于理想阶

13、段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。27（一）生物芯片技术研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和 FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。28（1） 分子马达（美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-纳米直升机。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物燃料ATP

14、转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。29（2） 纳米探针一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。图为载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下305. 4 纳米技术在医学上的应用 10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对

15、身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。 (1) 智能药物 美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米智能炸弹，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。31(2) 人工红血球 当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。人工红细胞的结构和工作示意图325.4 纳米材料在环境保护方面的应用

16、1、 纳米技术治理有害气体2、 纳米技术在污水处理3、纳米TiO2的特殊作用A 降解空气中的有害有机物。B 它可以降解有机磷农物,解决海洋的石油污染问题C 用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解D TiO2光催化剂具有除臭作用E 纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，具有自清洁效应F 紫外吸收、防晒品335. 5 纳米技术在分子组装方面的应用 目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制纳米

17、粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。 研究对象主要集中在纳米阵列体系；纳米嵌镶体系；介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系，探索或改善材料的性能，目标是为纳米器件的制作进行前期准备，如高亮度固体电子显示屏，纳米晶二极管，真空紫外到近红外特别是蓝、绿、红光控制的光致发电和电子发光管等都可以用纳米晶作为主要的材料，国际上把这种材料称为“量子”纳米晶。34 纳米颗粒与介孔固体组装体系近年来出现了新的研究热潮。人们设计了多种介孔复合体系，不断探索其光、电及敏感活性等重要性质。这种体系一个重要特点是既有纳米小颗粒本身的性质，同时通过纳米颗粒与基体的界面耦合，又会产生一些新的效应。

18、1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”，该算盘的算珠由球状的C60分子构成。美国佐治亚理工学院的研究人员利用纳米碳管制成了一种崭新的“纳米秤”，能够称出一个石墨微粒的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量。355.7 纳米技术在国防工业领域方面的应用“隐身武器”： 1991年海湾战争中，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标，在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。一个重要的原因就是美国战斗机F117A型机身表面包覆了红外

19、与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。 美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。36 主要原因：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用； 另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率

20、也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。 37六、我国在纳米材料领域所取得的成就 1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为350纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。 1998年，美国科学杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金从四氯化碳制成金刚石。”38 近

21、年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。 1999年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。 1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。39七、世界纳米战略及纳米市场孵化企业纳米产业基金、其它投资基金以及社会资本企业上市被收购利润创业家科技专家自主成长图 纳米产业价值链增值图传统产业

22、升级改造纳米技术40美国2000-2001年联邦政府机构的纳米研究开发经费分配 政府机构2000年（百万美元）2001年（百万美元）增长率（%）国家科学基金会97217124国防部7011057能源部589666航空航天局420400商务部818125国家卫生研究院323613总计2704978441美国按研究项目分配的纳米研究开发经费 项目经费（亿美元）占总经费的比例（%）基础研究1.9539.2重大挑战项目1.1022.1杰出中心和研究网络0.7715.5基础研究设施0.8717.5伦理、法律和社会影响以及教育培训0.285.6总经费（亿美元）4.9510042专家对纳米技术应用的预测 纳

23、米技术日本研究人员的预测（年）德国研究人员的预测（年）批量生产用离子束和粒子束制备的具有可控特性的纳米新材料20062010阐明金属聚合物界面的粘着力20022002利用超光滑金属镜面加工技术20032002利用STM技术嵌入混杂物并修补结晶硅表面20032004在单分子层、可控制结构的有机氢化物复合材料20032005广泛利用原子层蚀刻半导体20032004由几纳米-几十纳米尺寸构成的有机和无机复合材料20032004开发用于控制1-10纳米尺度的微结构的聚合物加工技术20052007在原子尺度控制固体结构极其界面特性的可能性20052006在原子层次上开发合成具有新功能的物质的技术2008

24、201043纳米材料在美国的总需求量纳米材料1996年2001年年平均增长率（%）美元（百万）所占比例（%）美元（百万）所占比例（%）纳米粒子4139761486961292纳米涂层10246039431总计423100154610029644与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术应用于医学,环境污染评价,制备纯化学品和药品的新型传感器用于再生能源的光电技术用于国防、航空、自动化和医学应用领域的更轻更强的新材料更好、更轻、更灵活的屏幕显示技术抗摩擦涂层玻璃等在一个芯片上的诊断技术可吸收紫外线的纳米粒子防晒的化妆品等预测纳米技术的中长应用抗腐蚀涂层：需要5-15年超强超硬切削工具：5-15年可塑

25、电子学-平板显示：需要5-10年可维持长久的医学植入物：需要5-15年具有100纳米以下可有商业用途的芯片：需要7年用于电子元件的纳米结构材料：需要10-20年高密度记忆能力超快速计算机处理器：需要10-20年极微小机器在血液中循环从动脉中清除人体脂肪堆积：至少需要25年英国对纳米技术的预测 45八 纳米技术研究与开发的动向与难点研究动向：（1）了解纳米尺度结构的特性。纳米尺度结构可能成为诸多技术创新的基础，应加强了解纳米尺度结构的生物、化学、电子、磁性、光学等方面的特性，才能更好地利用它们；（2）纳米尺度的合成与加工。某些单个的纳米尺度结构可以直接用于作为特定用途的材料或器件，而某些纳米结构只有在其被组合成为更大的结构时才能体现其价