《纳米材料》 课件 1 绪论

第一章纳米材料第一节自然界中的纳米材料03第一节、

自然界中的纳米材料莲出淤泥而不染壁虎飞檐走壁蝴蝶色彩斑斓的翅膀软体动物的“铠甲”…04第一节、

自然界中的纳米材料莲花为何出污泥而不染许多植物，如荷花叶面具有超疏水及自洁的特性。莲叶表面疏水，始终保持一尘不染。05第一节、

自然界中的纳米材料莲花效应水与疏水表面有一超大接触角06第一节、

自然界中的纳米材料莲花效应的发现经过德国植物学家WilhelmBarthlott的长期观察研究，在1990年代初终于揭开了莲叶叶面的奧妙。并创造了“莲花效应”一词，从此以后，莲花效应就成了纳米科技最具代表性的名词。Prof.Dr.WilhelmBarthlott07第一节、

自然界中的纳米材料莲叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米级的超微结构。莲叶粗糙表面上的微纳米结构的乳突以及表面蜡状物的存在使其表面超疏水，共同引起莲花效应。莲叶表面微观结构(SEM)08第一节、

自然界中的纳米材料莲花效应原理09第一节、

自然界中的纳米材料乳突间的凹陷充满空气，形成一层只有纳米级厚的空气层。尺寸上远大于这种结构的水降落在叶面上后，只能同乳突几个点接触。接触面积小，接触角变大，疏水性增加，水在表面张力作用下形成球，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。10第一节、

自然界中的纳米材料开发出了仿荷叶自清洁功能的疏水涂料及涂装技术/research/1911第一节、

自然界中的纳米材料壁虎飞檐走壁的奥秘会飞的壁虎壁虎及其脚趾12第一节、

自然界中的纳米材料

壁虎脚部单根刚毛结构微小，能实现最大平整接触，保证黏附力。结构产生高黏附力13第一节、

自然界中的纳米材料a）壁虎脚的显微放大图片；b）碳纳米管阵列的显微放大图片；c）一个4×4平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的可乐；d）4×4平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在砂纸表面上14第一节、

自然界中的纳米材料蝴蝶翅膀颜色的秘密光子晶体15第一节、

自然界中的纳米材料贝壳为何会如此坚硬

贝壳是一种的钙化物，主要分为三层，角质层，棱柱层，珍珠层。珍珠层具有有序的“砖——泥”微观结构。CaCO3为“砖”，提供了强度性能；有机蛋白质和壳多糖为“泥”，提供了韧性。而后经过逐渐矿化，形成致密的珍珠层，如此高度规则的复杂结构也造就了贝壳既有强度又有韧性的特点。第二节纳米技术发展历程17第二节、

纳米技术发展历程最早的纳米材料中国古代的铜镜的保护层纳米氧化锡中国古代的墨及染料1857年法拉第制备出金纳米颗粒巴黎圣母院的花窗18第二节、

纳米技术发展历程纳米纪事初期的纳米材料概念及理论

1861年，胶体化学的建立

1959年，费曼的著名演说

“There

is

plentyofroomatthebottom”1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论

“微小原子团会具有量子力学上的特性”上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究

1985年，Kroto和Smalley等人发现C601990年，美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议1994年，波士顿的MRS秋季会议上正式提出纳米材料19第二节、

纳米技术发展历程八十年代以来，纳米材料表征方法的发明

1981年，扫描隧道显微镜的发明原位电子显微镜的提出九十年代以来，开始较系统的新型纳米材料的开发

1991年，Sumio

Iijima等人发现CarbonNanotube1993年，WeitzmannInstitute开发聚合物纳米管1997年，NadrianSeeman提出DNA纳米器件20第二节、

纳米技术发展历程新型纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒，粉体，块体(包括薄膜)。第二阶段(1994年前)人们关注的热点是根据物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料

纳米粒与纳米粒复合，

纳米微粒与常规块体复合，

复合纳米薄膜。第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究

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。第三节纳米材料和纳米科学技术22纳米尺度：纳米尺度技术是指利用我们对纳米尺度科学的理解来制造具有新性能产品的能力。1纳米(nm)=10-3微米(

m)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)头发直径：50-100

m,1nm相当于头发的5-10万分之一。氢原子的直径为0.1nm，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。纳米科技：指一种用单个原子、分子制造物质的科学。主要用于制备性能优异的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、分析纳米区域的性质和现象。

实现对整个微观世界的有效控制。一、

纳米科技的研究内容23纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（0.1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。一、

纳米科技的研究内容24纳米结构：尺寸介于分子和微米尺度间物体的结构，有一，二，三维物质，相互关联的组成部分，其中一个或多个在纳米级区域，具有纳米级的内部或表面结构。至少有一维处于0.1～100nm；

因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。

否则，不能称之为纳米材料！一、

纳米科技的研究内容25一、

纳米科技的研究内容世界的不同层次宏观：大尺度，发明了望远镜，探索宇宙起源与进化。微观：小尺度，发明了显微镜，探索物质结构。26一、

纳米科技的研究内容纳米科技涉及的技术领域

(1)纳米制造学

(2)

纳米化学

(3)纳米物理学

(4)

纳米生物学

(5)

纳米电子学

(6)纳米力学

(7)

纳米显微学

(8)

纳米计量学

••••••270维：又称为量子点，电子在3个维度上的能量都已量子化，不能自由运动，如纳米颗粒、原子团簇等1维：又称为量子线，电子在两个维度或方向上的运动受约束，仅能在一个方向上自由运动，如纳米丝、纳米棒、纳米管等二、

纳米材料的分类1.按照维度进行分类282维：又称为量子面，电子在一个方向上的运动受约束，能在其余两个方向上自由运动，如超薄膜、多层膜、超晶格等。3维：晶粒尺寸至少在一个方向上为0-100nm的材料，即指在三维空间中含有上述纳米材料的块体。所有电子在所有维度内均自由移动，如石墨烯、金属二卤化物等。二、

纳米材料的分类29碳基纳米材料：由在不同维度上发展起来的杂化sp2碳原子组成，包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯片、石墨和纳米金刚石。半导体纳米材料：将半导体材料的结构改变为纳米尺度，氧化锌、碳化硅、氮化镓等为宽带隙半导体材料。二、

纳米材料的分类2.按材料类型分类30无机基纳米材料：主要由小于100nm的金属或金属氧化物颗粒制成。例如金、银纳米颗粒或二氧化钛和氧化锌等。有机基纳米材料：由有机物组成的纳米结构。树突聚合物、胶束、脂质体和聚合物可以通过利用非共价相互作用、利用自组装特性或分子的设计来获得。复合纳米材料：是由多个相组成的固体材料，其中一个相的尺寸小于100nm，或在相之间具有纳米级重复距离的结构，包括金属、陶瓷或聚合物等的任何混合物。二、

纳米材料的分类31三、

纳米材料的特性与应用32四、

纳米材料的制备方法纳米材料制备方法两条途径三类体系自上而下自下而上气相法液相法固相法33五、

纳米材料的表征工具纳米检测的发展20世纪60年代电子显微技术（TEM、SEM等）20世纪80年代扫描隧道显微镜技术（STM）

原子力显微镜（AFM）20世纪90年代扫描探针显微镜（SPM）技术

搬动原子组成纳米结构图案本世纪初

高分辨电镜及能谱（EDS）技术

分析材料组成与结构34五、

纳米材料的表征工具常用表征技术显微技术：TEM、SEM、STM、AFM

分析纳米材料的粒度与形貌衍射技术：X-射线衍射（XRD）、电子衍射（ERD）

分析结构能谱技术：能谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）

分析成分与表/界面光谱技术：红外光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）

分析成分与表/界面第四节纳米时代的到来36一、

未来新工业革命的到来第一次工业革命——毫米时代

发生在18世纪中叶，以Fe

基材料为基础，蒸汽机的发明与应用，使机器生产逐步取代手工劳动，使人类跨入了机械化工业时代，加工精度标志尺度是毫米，可以称作毫米技术应用时代。37一、

未来新工业革命的到来第二次工业革命——毫米时代

第二次工业革命以

Fe、Cu、Al

等金属材料为基础,电动机的发明与应用，使社会进入电气化时代，它的加工精度标志尺度仍是毫米。38一、

未来新工业革命的到来第三次工业革命——微米时代

20世纪，第三次工业革命以Si基材料为基础，以电子技术为代表，大规模集成电路和计算机的发明与应用，使社会进入信息时代，它的标志是微米技术的应用，使人类进入以计算机和网络通讯为代表的新时代，促进了生产力的飞速发展。39一、

未来新工业革命的到来第四次工业革命—即将到来的纳米时代

21世纪，预计以纳米材料为基础，将给人类带来第四次工业革命，使人类的生产和科技活动从微米层次深入到纳米和分子层次，将对传统产业带来极大的变革。纳米器件与机器、分子器件与机器将引领人类社会的发展。40一、

未来新工业革命的到来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2l世纪的又一次产业革命。

----钱学森41二、

国际纳米材料发展的形势美国启动纳米技术促进计划

克林顿说：“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划……”。科学技术主席助理NealLane说：“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程。”威廉姆斯说：“……纳米技术对经济社会的影响将超过计算机……”42二、

国际纳米材料发展的形势美国能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料，制定了“国家纳米技术倡议”(NNI):纳米材料，纳米电子学，纳米光电子学，纳米磁学，纳米医学，纳米生物学美国总统布什2003签署了《21世纪纳米技术研发法案》，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发。2010年:80万纳米科技人才，GDP1万亿美元，200万个就业机会43二、

国际纳米材料发展的形势日本和德国出台了相应的研究计划日本：要向抓微电子那样抓纳米技术，把发展纳米技术作为21世纪前20年立国之本。德国：纳米技术是21世纪高科技的制高点。布署了跨部门的六大中心发展纳米技术。三菱化工建立了纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气44二、

国际纳米材料发展的形势其他国家的纳米科