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文档简介
纳米科学与技术TheSmallWorld本课程的内容绪论纳米材料2.1零维纳米结构:纳米粒子2.2一维纳米结构:纳米线、纳米棒、纳米管
2.3二维纳米结构:薄膜、石墨烯2.4特殊纳米材料纳米材料的制备方法纳米材料的表征纳米材料的性能纳米材料的应用一、绪论1、引言21世纪是高新技术的世纪,信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天,新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注,这就是纳米技术。纳米技术包含下列几个主要方面:纳米材料、纳米能源、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学。1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在0.1—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。日本最早用蒸发法制备超微颗粒,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,像铁钴合金,把它做成大约20-30nm大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。原因:磁畴中的单个原子排列的并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外则是电子绕其旋转的电子,这是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列的很规则,对外显示了强大磁性。这一特性,主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候,用于制造磁悬浮,可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速列车。3、纳米生物学和纳米药物学:如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,DNA的精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。一、绪论“Thereisplentyofroomatthebottom.”-R.P.Feynman,(Dec29,1959).“Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsone-by-onethewaywewantthem?”2.纳米技术的发展历程
纳米技术的灵感,来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。费曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?他说:“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,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。2.纳米技术的发展历程钱学森预言:“纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将使21世纪又一次产业革命。”1993年,因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海·罗雷尔:微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。1993年,Rohrer博士写信给江泽民主席。他写道:“我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前,微米成为新的精度标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。”
这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用。纳米材料的发展大致可以划分为两个阶段:
第一阶段(1991年以前):主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,挖掘材料的奇特物理、化学和力学性能。第二阶段(从1991年到现在):纳米组装体系的科学与应用研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。广义地,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数,纳米材料的基本单元可以分为三类:(1)零维,在空间三维尺度均在纳米尺度;(2)一维,在空间有两维处于纳米尺度;(3)二维,在三维空间中有一维在纳米尺度。因为这些单元往往具有量子性质,所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。横截面:长度:几百纳米至几毫米纳米材料10nm30nm50nm零维:纳米颗粒、原子团簇一维:纳米丝、纳米棒、纳米带、纳米管及纳米纤维ZnO纳米棒-蒲公英铋多层纳米带左:纳米纤维右:碳纳米管三维:Nano-flowers中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。Nanotechweb和ORFONScience网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样”和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。Nanobelt/nanoribbonZnOZnO纳米块体材料是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体材料,又叫纳米结构材料。具有三个显著特征:尺寸小于100nm的原子区域显著的界面原子数组成区域间相互作用按照纳米尺度物质单元的结构状态,可分为:纳米晶材料、纳米非晶态材料、纳米准晶态材料按照组成相的数目,可分为:纳米相材料、纳米复合材料
球形颗粒的表面积(A)与直径D2的平方成正比,体积(V)与D3成正比,故其比表面积(A/V)与直径成反比。说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2,这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。1.表面效应纳米材料的特异效应随着粒径减小,表面原子数迅速增加。这是由于粒径小,表面积急剧变大所致.例如,粒径为10nm时,比表面积为90m2/g,粒径为5nm时,比表面积为180m2/g,粒径下降到2nm,比表面积猛增到450m2/g.这样高的比表面,使处于表面的原子数越来越多,同时,表面能迅速增加。
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。如下一系列新奇的性质:
2.小尺寸效应(1)特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑。(3)特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同;大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到20纳米以下时,其矫顽力可增加1千倍;若进一步减小其尺寸,大约小于6纳米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子,这种磁性的纳米粒子具有“罗盘”的作用,可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的。最近,英国科学家发现,蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子,这种磁性跟粒子具有指南针功能,蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境,在自己头脑里的图像而判明方向。磁性超微粒子的发现对于了解螃蟹的进化历史提供了十分有意义的科学依据.据生物科学家最近研究指出,人们非常熟悉的螃蟹原先并不像现在这样“横行”运动,而是像其他生物一样前后运动,这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒,就像是几只小指南针.螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退,行走自如。后来,由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转,使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用,于是使它失去了前后行动的功能,变成了横行。研究生物体内的纳米颗粒对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的。(4)特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出很好的韧性与一定的延展性。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。(5)量子尺寸效应
大块材料中能级、能级合并成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,看作是连续的。对超微颗粒而言,连续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就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。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。
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。目前,对紫外吸收好的几种材料有:30~40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜;Fe2O3纳米微粒的聚固醇树脂膜。
例如,防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。我们知道,大气中的紫外线主要是在300-400nm波段,太阳光对人体有伤害的紫外线也是在此波段。防晒油和化妆品中就是要选择对这个波段有强吸收的纳米微粒。最近研究表明,纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米云母、氧化铁都有在这个波段吸收紫外光的特征。塑料制品容易老化变脆,如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层,这种涂层对300-400nm范围有较强的紫外吸收性能,这样就可以防止塑料老化。
最近发现,纳米Al2O3粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力,这一特性可用于提高日光灯管使用寿命上。我们知道,日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明。一般来说,185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响,而且灯管的紫外线泄漏对人体有损害,这一关键问题一直是困扰日光灯管工业的主要问题。如果把几个纳米的Al2O3粉掺合到稀土荧光粉中,利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光,而且不降低荧光粉的发光效率,在这方面的试验工作正在进行。
(6)宏观量子隧道效应量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力宏观量子隧道效应:人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带,磁盘进行信息贮存的时间极限。量子隧道效应将会是未来微电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述的量子效应。(6)宏观量子隧道效应(7)其它特性纳米材料的莲花效应
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