纳米材料简介-2012课件

1、Sunny Xu2012.8纳米材料简介一、纳米科技的起源二、纳米科技三、纳米材料四、纳米材料制备方法五、纳米材料特有的性质六、纳米材料的应用七、荷叶效应一、纳米科技的起源1. 历史错过的机遇2. 酝酿期1861年，科学家发现了一种新的现象胶体并对此展开了研究，由此建立了化学学科的一个新的分支：胶体化学。但是当时的化学家们并没有意识到在这样的一个尺度范围是人们认识世界的一个新的层次，历史就此错过。1959年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼预言：毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。一、纳米科技的起源1962年，久保（Kubo）针对金属超微粒

2、子的研究，提出了著名的久保理论（量子限域理论）；1970年，江崎和朱兆祥提出了半导体超晶格概念；70年代末到80年代初，描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在量子尺寸效应解释超微颗粒的特性时获得成功；1984年，Gleiter提出了纳米材料界面结构模型；1985年，Kroto等质谱分析发现C60 和C70新的谱线；3. 快速发展期1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。从此，纳米材料科学作为一个比较独立的学科诞生。纳米科技进入快速发展期。我国著名科学家钱学森院士曾预言：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一

3、阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”一、纳米科技的起源一、纳米科技的起源 1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。1.什么是纳米？纳米是尺寸的度量单位，1纳米=10-9米。千米 米 厘米 毫米 微米 纳米103 1 10-2 10-3 10-6 10-910倍左右原子大小，万分之一头发粗细（几十微米）二、纳米科技宏观领域米介观领域纳米微观领域埃肉眼可见，一般在微米级以上肉眼不可见，一般在埃数量级1埃 = 10-10 m肉眼不可见，一般在纳米级1100 nm二、纳米科技 宏观领域 ：指以人的肉眼可见的物体为最小物体 开始为

4、起点，上至无限大的宇宙天体 介观领域 ：包括从微米、亚微米， 纳米到团簇尺寸(从几个到几 百个原子以上尺寸)的范围 微观领域 ：以分子原子为最大起点， 下限是无限的领域 二、纳米科技2. 定义在纳米尺度（1100 nm）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。二、纳米科技纳米科技纳米科学纳米技术纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米电子学纳米光学纳米器件纳米加工纳米测量纳米显微纳米材料纳米电路纳米电子器件纳米传感器纳米芯片纳米机械纳米机电系统纳米马达纳米探针纳米扫描零维纳米材料一维纳米材料二维纳米 材料三维纳米材料纳米医学纳米生

5、物纳米光刻纳米操纵纳米探针。3. 分类二、纳米科技三、纳米材料1. 定义：指的是在三维尺度上至少在某一维方向上尺寸在1100nm范围的材料。指导理念： 以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品，其技术路线可分为：“自上而下”（Top Down）；“自下而上”（Bottom Up）；三、纳米材料2. 纳米材料分类纳米材料零维材料（颗粒）一维材料（纤维）二维材料（薄膜）三维材料（块体）三、纳米材料 纳米颗粒：也称纳米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。 纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米薄膜：纳米膜分

6、为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体：是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。图1 不同方法制备得到的纳米银TEM图片三、纳米材料图2 不同方法制备得到的纳米银TEM图片三、纳米材料宏观的思维方式：打碎通过机械的方式进行切削、研磨，将宏观的块体材料打碎，使颗粒变小。物理粉碎法；高能球磨法；庄子的办法： 一尺之棰，日取其半，万世不竭。 庄子 天下篇四、纳米材料制备方法16.7 cm0.13 cm8.35 cm第1天第8天第2天33.3 cm78.7 nm第22天一尺之棰四、纳米材料制备方法一

7、尺之棰，日取其半，万世不竭。 庄子 天下篇四、纳米材料制备方法2. 微观的思维方式：阻止长大 通过一些化学或者物理的方法，从分子或者原子级别进行控制，到达纳米级后阻止其进一步长大。物理法；化学法；四、纳米材料制备方法物理法：气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法化学法：气相法：气相分解法、气相合成法、气固反应法液相法：沉淀法、水热法、微乳液法、溶胶凝胶 法、冷冻干燥法、喷雾热解法固相法：热分解法、固相反应法四、纳米材料制备方法纳米粒子制备方法气相法液相法沉淀法水热法微乳液法溶胶凝胶法喷雾热解法气体冷凝法氢电弧等离子体法溅射法真空沉积法加热蒸发法混合等离子体

8、法固相法粉碎法物理粉碎法高能球磨法化学气相法气相分解法气相合成法气固反应法物理气相法热分解法其它方法固相反应法四、纳米材料制备方法（1）物理粉碎法采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和物料间相互研磨和冲击，并辅以助磨剂或大功率超声波粉碎，达到微粒的微细化。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。四、纳米材料制备方法（2）高能球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。四、纳米材料制备方法（3）沉淀法在金属盐溶液中加入适当沉淀剂得到前驱体沉淀物, 再将此沉淀干燥或者煅烧从而形成纳米粉体。沉淀法可分为三类：共

9、沉淀法、均匀沉淀法和金属盐水解法。此法操作简单，成本低但易引进杂质，难以获得粒径小的纳米粉体，适合制备氧化物；四、纳米材料制备方法（4）水热法水热法是在特殊反应器（高压釜）内，以水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度或近临界温度，并在高压环境下而进行的无机合成的有效方法。在水热法中，水起到传递压力的媒介，在高压下绝大多数反应物均能全部或部分溶解于水，促使反应在液相中进行。水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体，不需作高温灼烧处理，避免了可能形成的粉体硬团聚。可获得纯度高、晶形好、单分散、形状及大小可控的纳米粒子。四、纳米材料制备方法（4）水热法/溶剂热法图3 水热反应釜四、纳米材料制备

10、方法（4）水热法/溶剂热法 中国科技大学钱逸泰教授，在相对较低的温度条件下，使用水热法/溶剂热法，通过催化还原热解过程成功地合成金刚石粉末，在世界上引起轰动。这一成果发表在98年Science杂志上 。四、纳米材料制备方法（5）微乳液法微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂(通常为醇类)、油类(通常为碳氢化合物)组成的稳定体系。微乳液中，微小的“水池”为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒，其大小在几至几十个纳米间，这些微小的“水池”彼此分离，就是“微反应器”。它拥有很大的界面，有利于化学反应。这显然是制备纳米材料的又一有效技术。与其它化学法相比，微乳法制备的粒子不易聚结，

11、大小可控，分散性好。四、纳米材料制备方法（6）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。溶胶-凝胶法可以大大降低合成温度。用无机盐作原料，价格相对便宜。得到的产物颗粒均一，过程易控制。四、纳米材料制备方法（7）喷雾热解法将金属盐溶液喷入低压高温气氛中，形成微小液滴，溶剂蒸发和金属盐的分解过程同时迅速进行，直接制得超细粉体。特点：工艺过程简便，系统可调；整个过程一次分解完成，粉体呈球形，均匀性好；可实现自动控制，可连续生产。但产品纯度不高，污染严重。五、纳米

12、材料特有的性质纳米材料一切特有的性质均起源于四大效应：表面效应；小尺寸效应；量子尺寸效应；宏观量子隧道效应；五、纳米材料特有的性质1. 表面效应由于粒径很小，表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料。粒子的大小与表面原子数的关系直径/nm1510100原子总数 N3040003000030000000表面原子百分比9940202五、纳米材料特有的性质表面效应粒径 /nm 100 80

13、60 40 20 0 比例（%） 表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 五、纳米材料特有的性质2.小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 五、纳米材料特有的性质3.量子尺寸效应 当微粒纳米尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、电能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。五、纳米材料特有的性质4.宏观量子

14、隧道效应 纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应。五、纳米材料特有的性质4. 宏观量子隧道效应五、纳米材料特有的性质 力学性质 电学性质 光学性质 热学性质 磁学性质 化学性质五、纳米材料特有的性质1. 力学性能 超塑性陶瓷材料超塑性的机制主要为极大的界面以及界面间原子排列混乱。 硬度和强度 随晶粒尺寸减小到纳米量级，纳米材料的强度和硬度提高。如：纳米相Fe的晶粒尺寸由100nm减少到6nm时，硬度增加4-5倍。五、纳米材料特有的性质2.电学性质电阻高于同类粗晶材料，比电阻随温度的上升而上升；随颗粒尺寸减小，电阻温度系数下降；当颗粒

15、小于某一临界尺寸时，电阻温度系数可能由正变负；磁场中电阻显著下降。五、纳米材料特有的性质3. 磁学性质横行霸“道”的螃蟹 纳米材料具有很高的磁化率和矫顽力，具有低饱和磁矩和低磁滞损耗。如20nm纯铁纳米微粒的矫顽力是大块铁的1000倍。五、纳米材料特有的性质烧结温度显著降低所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。熔点显著降低4. 热学性质五、纳米材料特有的性质宽频带强吸收 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中各种波长的光的反射和吸收能力不同。 当尺寸减小到纳米时，各

16、种金属纳米粒子几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。5. 光学性质五、纳米材料特有的性质纳米级粉末黑色黄色 金白色 银灰黑色 铁有趣的现象五、纳米材料特有的性质蓝移现象 纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。例如，SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC固体为794cm-1。图5 CdS溶胶颗粒在不同尺寸下的吸收光谱吸收光谱蓝移的原因：a.量子尺寸效应；b.表面效应。5. 光学性质五、纳米材料特有的性质6.化学性质 比表面积大 界面原子数多界面区原子扩散系数高 表面原子配位不饱和纳米材料具有较高的化学活

17、性纳米粒子的催化作用等等六、纳米材料的应用1.陶瓷领域陶瓷是中国的特产，硬度高，绝缘性好，导热系数低，美观，但脆性大、易破碎，经过纳米技术处理后，可以用来代替优质钢做发动机零件。六、纳米材料的应用纳米磁性液体材料是纳米级磁性微粒分散在基液内形成的均匀胶体溶液，同时具有磁体的磁性和液体的流动性。磁性液体应用最广泛的是磁性密封技术，尤其在要求真空、防尘、密封气体等特殊环境中的动态密封最为适用。 2.磁性材料领域六、纳米材料的应用宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体六、纳米材料的应用日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍，率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长的鬃状结晶形

18、，粗仅20纳米，可使计算机的计算速度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。3. 微电子领域六、纳米材料的应用 超微型电动机1994年世界最小的电动机在美国6家科研单位的通力协作下完成，体积只有一个红血球那么大。在制导与反导弹防卫系统上，美国西北大学工程学院开发的超微激光器，形状似指环，不仅具有大型激光器的功能，而且携带方便，效果更佳。 超微型环状激光器六、纳米材料的应用4. 光学领域红外反射材料 如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬

19、在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15的电。六、纳米材料的应用优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。4. 光学领域六、纳米材料的应用隐身材料 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

20、，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。4. 光学领域六、纳米材料的应用歼20隐身战斗机 六、纳米材料的应用美国B2战略隐形轰炸机六、纳米材料的应用六、纳米材料的应用随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15-20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以

21、在血管中自由流动。如果将纳米粒子注入到血液中，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纳米机器人，在血液中循环，对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。5. 医学领域六、纳米材料的应用图6 纳米机器人5. 医学领域六、纳米材料的应用纳米药 如果用纳米技术来做这件事，就变得非常容易。比如说中药的有效成分中有很多是能够治疗心脑血管疾病的，像亚麻酸、亚油酸。如果我们把这种东西纳米化之后，来清理我们的血管，就有可能做到。 因为它的物理活性也就是它的表面积，尺度下降了三个数量级，它的物理活性表面积就提高了六个数量级，六个数量级就是一百万倍，也就是说它的物理活性提高了这么多，其疗效就会提高一百万倍。本来要吃进去一吨的中药汤，这时候只需要把中药汤提炼成一克，注射到血液当中去，就可以了。这不是神话。5. 医学领域六、纳米材料的应用可以乱真的“纳米人工骨” 这种高科技