绪论 2012 纳米科技及纳米材料课件

1、绪论-纳米科技及纳米材料无机纳米材料周二第3、4节，地点：2#317无机纳米材料(Inorganic NanoMaterials, Inorganic Nanostructured Materials; Inorganic Nanoscale Materials; Inorganic Nanocrystalline Materials)东华大学材料学院张青红E-mail：自然界里的纳米结构 硅藻硅藻死亡后形成的硅藻土牙齿的结构与牙釉质的SEM照片课程安排1到16周平时成绩10作业20（PPT展示，分8组，每组10分钟，作口头报告，安排在第12周）期末闭卷考试：70。考试安排在第16周。本人研究

2、的纳米无机材料：管、棒、微球；氧化物、氮化物合著的专著2002年出版(m)10610-410210-610010410-210-810-10地球土木设施建筑物输送机械人体粒子粉末粉体微粉体超微粉体原子簇原子尖端技术大气污染最尖端技术一、纳米科技的兴起1959年，费曼（物理学家，诺贝尔奖获得者）预言：“毫无疑问，当我们得以对微观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。”“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”一、纳米科技的兴起1991年Armstrong（IBM首席科学家）预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心

3、地位，并发挥革命的作用，正如（20世纪）70年代初以来微米科技已经起的作用那样。”钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。” 2000年2月，克林顿在宣布美国国家纳米技术创议（National Nanotechnology Initiative, NTI）时宣称：（1）要把纳米技术放在优先于信息和生命科学的地位；（2）纳米技术的发展将导致新一轮的工业革命。一、纳米科技的兴起一、纳米科技的兴起几十个到几万个原子的纳米颗粒 （零维）一维量子线 （线、管、棒、电缆）二维量子面 （超薄膜, ultrathin films ）三维

4、纳米固体 （体材料，bulk materials）纳米科技的研究领域宏观领域：下限，人的肉眼可见的最小物体；上限，无限大的宇宙天体。 微观领域：上限，分子、原子；下限，无限领域。 介观领域：介于宏观和微观之间。 亚微米体系纳米体系团簇纳米科技的基本概念纳米科技：研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米体系物理学纳米化学纳米材料学纳米生物学纳米电子学纳米加工学纳米力学纳米科技纳米材料是纳米科技的主要基础二、纳米材料的研究历史1000年前，中国人用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料。中国古代铜镜表面由

5、氧化锡颗粒构成的薄膜防锈层1861年，胶体化学（colloid chemistry）的建立，开始对1-100nm的粒子体系进行研究。局限性二、纳米材料的研究历史70年代末，美国MIT的W.R.Cannon用激光驱动气相合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末（Si、SiC、Si3N4 ）。1977年，从模拟活细胞中生物分子的人工类似物出发可以组装和排布原子。纳米技术-Nano Technology70年代末到80年代初，对纳米微粒的结构形态和特性进行比较系统的研究。1984年，采用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面的纳米晶体Pd、Cu、Fe等多晶纳米固体。87年，同样方法制备了纳米TiO2 。二、

6、纳米材料的研究历史90年代初，人工纳米材料多达百种。团簇粒子受到重视，尺寸1nm以下，由几个到几百个原子构成。1985年，激光加热石墨蒸发法在甲苯中形成碳的团簇C60和C70。1991年，日本NEC公司电镀专家Iijima在用HRTEM检查分子时意外发现碳纳米管。三、纳米材料的研究内容纳米材料：狭义上，有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜和纳米固体的总称。广义上，晶粒或晶界等显微结构能达到纳米尺寸水平的材料。指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义地，纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为单元构成的材料。三、纳米材料的研究内容按传统的材料学科体系划分：纳米金属材料

7、、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。按应用目的分：纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、纳米生物材料等。1、原子团簇原子团：由多个原子组成的小颗粒，比无机分子大，比具有平移对称性的块体材料小，原子结构（键长、键角和对称性等）和电子结构不同于分子，也不同于块体。原子团簇物理，描述原子团簇的学科。尺寸：小于20nm，约含几个到105个原子。1、原子团簇 (cluster)研究工作：理论计算-原子团簇的原子结构、键长、键角和排列能量最小的可能存在结构。实验研究-原子团簇的结构与特性，制备原子团，设法保持其原有特性压制成块，开展相关应用研究。2、纳米颗粒纳米颗粒：颗粒尺寸在纳米量级的超微

8、颗粒，尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在1-100nm之间。用电子显微镜才能看到的微粒称为纳米颗粒。纳米颗粒的应用：具有光、电、磁、敏感和催化特性，由5-50nm的颗粒在高真空下原位压制纳米材料，或制作纳米颗粒涂层，或根据纳米颗粒的特性设计紫外反射涂层、红外吸收涂层、微波隐身涂层，其他的纳米功能薄膜。3、纳米碳球主要代表：C60 。60个碳原子组成封闭的球形，是32面体，即20个六边形（类似苯环）和12个五边形构成一个完整的C60 。与常规的碳的同素异形体结构完全不同，物理化学性质奇特，具有独特的电学性质、光学性质和超导特性。怎么去记它的结构？SP2杂化4、纳米碳管由碳元素组成，由类似石

9、墨六边形网格翻卷而成的管状物，两端一般由含五边形的半球面网格封口。直径1-20nm，长度纳米到微米量级。应用：超细高强纤维、复合材料、大规模集成电路、超导线材和多相催化等方面。5、纳米薄膜与纳米涂层纳米薄膜的两种类型：含有纳米颗粒与原子团簇-基质薄膜；纳米尺寸厚度的薄膜，厚度接近电子自由程的Debye长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。6、纳米固体材料具有纳米特征结构的固体材料。由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体，结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆压成块体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体。7、纳米复合材料增强相为纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维的复合材

10、料。增强相必须是纳米级；基体可以是纳米级，也可以是常规材料。种类：金属基、陶瓷基和高分子基纳米复合材料。复合方式：晶内型、晶间型、晶内-晶间混合型、纳米-纳米型等。四、纳米材料的发展状况投资加大，政策加强 技术提高，材料出新 向大规模生产，常温制造发展 纳米材料在医学领域应用进展 投资加大2003年全球在纳米研究方面共投入30亿美元美国自2001年以来，政府对纳米研发的投入增加了83，2004财政年度的研发预算近8.5亿美元，比上一年增加10。布什总统签署21世纪纳米技术研究开发法案，批准从2005财政年度开始的4年中投入约37亿美元。投资加大法国，国家纳米科技投资3年计划：2003至2005

11、年投入5000万欧元用于纳米科学基础研究；建立5个纳米技术研究中心和“国家微米和纳米研究网络”项目；促进纳米技术研究成果向中小企业与新兴企业转化。法国近10年来最大的工业投资项目法国最大电子纳米技术中心“联盟克洛尔2”，主要任务：生产新一代电子芯片，将是世界规模最大的纳米芯片生产中心。政策加强美国加大执行“国家纳米计划”的力度。新的战略目标：到2010年培养80万真正懂纳米科技的人才，确保美国在21世纪占据纳米领域的领先地位。2003年的优先项目：纳米材料科学及与医疗保健本土安全和能源相关项目，特别是配合氢能源经济的纳米储存氢能技术。 政策加强2003年5月22日，麻省理工学院与美国陆军合办的

12、“纳米科技战士”研究所未来战士模拟中心成立，公布了纳米科技战士研发计划。研究方向：开发具有隐形、导电、自动疗伤等多种神奇功能的21世纪的战场装甲。研究重点：能够在战场上保护士兵或为其提供医疗救助的材料和设备。研究范围：七个领域-能量吸收材料、机械活动材料、检测化学或生物攻击的传感器、医疗设备、纳米材料制造技术、纳米技术集成、模型制造和模拟。技术提高，材料出新美国研制出比头发丝还细千倍，可自动调控开关的世界首个纳米激光器。用途：安装在微芯片上，能提高计算机信息存储量，加速信息技术的集成化发展，在电信、生物、医药等领域有广阔的应用前景。美国在纳米基础研究方面发现碳纳米管理想的吸收与发散光波特性用途

13、：可望使量子密码技术以及单分子传感器变成现实。美国在纳米基础研究方面利用自行组装的DNA分子作为建筑材料，建造了支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线。特点：直径只有数十亿分之一米，潜在应用：开发可编程的分子级传感器或电路。美国在纳米基础研究方面在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构实现纳米尺度上机电耦合的关键材料用途：设计研制各种纳米传感器、执行器，以及共振耦合器，甚至纳米压电马达，在微纳米机电系统有重要应用价值。 美国在纳米材料应用领域在电子元器件、微机械系统方面，出现可控纳米马达、纳米电动机、纳米激光器、纳米弹簧等成果。可控纳米马达由一种自旋蛋白质片断制成，宽度仅为11纳米，可在未来用

14、于驱动诸如药物递送系统等纳米机械。美国在纳米材料应用领域用多层碳纳米管制做的世界最小电动机直径约为500纳米，比头发丝还细300倍；能在电压驱动下转动，对温度和化学条件要求宽松，甚至在真空中也能运转；可广泛用于光学开关等领域，为发动机运转带来全新含义。 美国在电子元器件方面以碳纳米管为导电通路的场效晶体管及逻辑电路计算机电路纳米化美国在电子元器件方面电子流动性比现有半导体材料高25、比硅晶体管高70的碳纳米管晶体管。让纳米管成为新一代功能更强大尺寸更小的电子产品发现半导体碳纳米管在室温下传输电流的能力好于任何已知的其它物质，用它可造出比以往更好的晶体管。纳米管能成为新一代功能强大的电子产品基础

15、。美国在电子元器件方面开发出由单分子碳纳米管构成的世界最小发光元件直径1.4纳米，可发出波长1.5m的光，意义：分子元件研究领域的重大进展，推动碳纳米管在纳米级电子工程学和光元件领域的应用研究，有可能在电子和光电子领域开辟新的应用前景。实现了芯片产业“光电合一”，表明纳米管能与目前的硅电路结合，有可能促使纳米管在2015年前在商业芯片上获得应用。美国在能源应用方面在能源应用方面纳米储氢技术已成为重点项目寻找可能用于储氢的纳米材料纤维已将储氢纤维做到平均直径在35纳米的水平。 美国纳米应用的其他热点医学领域的热点：纳米医药机器人纳米定向药物载体纳米在基因工程蛋白质合成中的应用等美国纳米应用的其他

16、热点微电子及信息技术领域应用方面的开发热点：导电聚合物在信息技术领域的应用纳米电子元器件二极管用于感应器的电子序列纳米传感器等美国纳米应用的其他热点在化学工业上应用的开发热点：利用纳米材料提高催化剂的效能问题，包括用于燃料电池的催化剂等。各国纳米管生产技术的提高只有实现低成本大批量生产，才谈得上实际应用 俄罗斯科学家成功研制出能够不间断地生产碳纳米管的技术装置。生产能力达到每小时10克，碳纳米管生产技术的突破。各国纳米管生产技术的提高一种碳纳米管生产新方法：将酒精和甘油的混合物喷射到被加热至2000度3000度的石墨棒上，制出厚度为30纳米150纳米的碳纤维和厚度为20纳米50纳米，长度能达到

17、几米的碳纳米管，用途：生产连接地球和月球之间的运输线。各国纳米管生产技术的提高韩国汉城大学利用碳纳米管具有亲水性，能自动聚集的特性，在世界上首次成功开发出一种高密度碳纳米管批量生产技术，可同时生产数百万个碳纳米管用途：预计今后5至10年将实现商用化。 纳米材料在医学领域应用进展德国与美国利用纳米颗粒，对癌变组织进行加热，达到摧毁肿瘤目的的全新“纳米热疗克癌法”在动物试验中取得成功。纳米材料在医学领域应用进展德国柏林夏里特医院“子弹”：含有氧化铁的磁性纳米微粒；方法：通过外加磁场对注入肿瘤的纳米微粒进行加热，癌变组织也因此被“加热”，从而抑制肿瘤细胞的活性。加热到47摄氏度以上高温时，病人体内直

18、径小于5厘米的肿瘤可以被“粉碎”；纳米材料在医学领域应用进展美国赖斯大学设计制造出可寻找和杀死恶性肿瘤细胞的镀金纳米子弹用途：注射到血管中，顺着血流探寻和发现癌细胞。再用近红外线照射，使纳米子弹开始升温，导致癌细胞被热死。对无法进行手术切除的恶性肿瘤来说，定点“爆破”可能是最有效的武器。纳米材料在医学领域应用进展日本科学家利用纳米颗粒对体内器官给药。方法：利用电流脉冲将基因或蛋白质插入表面“印”有蛋白质“地址”的纳米颗粒，将其注射到实验鼠体内，使颗粒有效抵达肝脏细胞并释放所携基因。用途：为肝脏运送基因或药物，在应用对症的基因或药物治疗各种肝病时发挥作用。 纳米材料在医学领域应用进展美国弗吉尼亚

19、大学用比发丝还细1000倍的血液纤维蛋白原研制出最终可被人体自然降解的纳米止血绷带特点：不仅能快速止血，还能促进伤口自然愈合。应用：已制造出各种尺寸的止血绷带，小到划伤，大到枪伤，都有望一贴见效。纳米材料在医学领域应用进展美国德克萨斯大学用碳纳米管拉制出长达100米，韧性是蜘蛛丝的4倍，钢丝的20倍的可导电碳纳米管超强合成纤维，进而织出了碳纳米管布料。用途：利用碳纳米管纺线织布，裁剪缝制出可充当电池和传感器的“聪明”服。五. 纳米材料的应用1.在催化方面的应用2.在电化学方面的应用3.在光化学方面的应用4.在磁记录方面的应用5.在传感器方面的应用6.在陶瓷增强增韧方面的应用7.在生物医学方面的

20、应用8.在其它领域的应用1. 在催化方面的应用催化反应-物体表面部分形成有效反应中心-提高反应效率，选择反应路径。纳米微粒特点：表面有效反应中心多，粒径越小的纳米微粒作催化剂的产物收率越高，做催化剂的必要条件。1. 在催化方面的应用用纳米粒子进行催化的反应有三种类型：（1）直接用纳米微粒铂黑、银、Al2O3、Fe2O3等在高分子高聚物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，很好控制反应速度和温度；（2）把纳米微粒掺合到发动机的液体、气体燃料中，可提高效率；（3）在火箭固体燃料中掺合Al的纳米微粒，提高燃料效率若干倍。2. 在电化学方面的应用现已研制出的纳米材料电极：（1）纳米憎水S

21、iO2颗粒葡萄糖酶电极。（2）TiO2超微粒子半导体电极；（3）CdS及CdSe光电化学池中的光电极等；（4）CdS超微粒子薄膜电极。3. 在光化学方面的应用应用：作为光电转换薄膜及光催化太阳能转换过程中；纳米微粒也能够用作无机及有机废物的光分解试剂，如苯酚、卤代芳香族化合物及二乙基硝基苯磷酸酯等的光分解处理。 研究种类：CdS或TiO2纳米粒子，这些过程包括界面电荷转移过程。4.在磁记录方面的应用例如每1cm2需要记录1000万条以上的信息，这就要求每条信息记录在几个微米，甚至更小的面积内，在几微米平方的记录范围，至少有300个阶段分层记录，这就要求在几微米平方内有300个记录单元。纳米微粒

22、为这种字密度记录提供有利条件。磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。 信息社会-要求记录材料高性能化和记录高密度化。5. 在传感器方面的应用纳米微粒的特点巨大的表面和界面，对外界环境温度、光、湿气等十分敏感。外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态和电子运输的变化，响应速度快，灵敏度高。5. 在传感器方面的应用（1）纳米SnO2传感器：通过控制真空度来实现多功能。该种传感器具有良好的选择性。（2）温度传感器（温度计，热辐射计）：利用纳米NiO 、FeO、CoO、CoO-Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化制成；（3）

23、红外检测传感器：利用纳米LiNbO3、LiTiO3、PZT和SrTiO3的热电效应制成；（4）氧敏传感器：利用纳米ZnO和SnO2的半导体性质制成；（5）汽车排气传感器：纳米TiO2、CoO-MgO制成。6. 在陶瓷增强增韧方面的应用特点：纳米微粒颗粒小，比表面积大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，可以降低烧结温度。要求：降低纳米粉体的成本保证纳米粉体的质量，做到尺寸和分布可控，无团聚，能控制颗粒的形状产量大，发展新型纳米陶瓷。 6. 在陶瓷增强增韧方面的应用高熔点材料的烧结：纳米粉体比表面大，熔点低，通常在高温下烧结的如SiC，WC，BN等，在纳米态下在较低温度可以进行烧结不用添加剂仍使其保持良好的性能。6. 在陶瓷增强增韧方面的应用复相材料的烧结：复相材料的不同相的熔点，不同相的相变温度使烧结较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应，使熔点下降，相转变温度降低，在低温下进行固相反应，可得到烧结性能好的复相材料。6. 在陶瓷增强增韧方面的应用轻烧结体：轻烧结体是以纳米微粒构成的密度只有原物质十分之一的块状海棉体。用途：利用庞大的表面和纳米微粒的小尺寸效应可