6-1 化学与材料-纳米材料.ppt

1、化学与社会6、化学与材料-纳米材料,化学化工学院 2012年11月,纳米与纳米技术Nano and Nanotechnology,纳米(nm)：长度单位，1m=109 nm, 人 头发丝的直径相当于6万纳米 ,创造具有特定功能的新物质。 纳米材料：当物质颗粒小到纳米量级(100nm)后，这种物质就可被称为纳米材料。 纳米效应：同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。,花粉是纳米级的粒子室内的灰尘是纳米级的粒子, 其光环300nm.病毒也是纳米级的, 30-100nm.,纳米颗粒,纳米颗粒的检测,如果一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在了

2、地球上。 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.01纳米。 其他：高分辨透射电镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM），分辨率1nm。 由德国人宾宁(G.Binnig,1947-)和瑞士人罗勒(H.Roher,1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。 宾宁和罗勒因此获得1986年诺贝尔奖.,扫描隧道显微镜示意图,外膜蛋白,病毒基因,反转录酶,核核心蛋白,组织核心蛋白,原 理,用一个

3、极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级的隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达.纳米，纵向可优于.纳米。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰以及直接书写等。,移动原子-世界上

4、最小的广告,1990年，IBM公司展示了一项令世人瞠目结舌的成果，在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住， 再搬运到另一个地方放下。 这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以进行“原子剪裁”了。,纳米神算子-分子算盘,STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。 科学家把C60分子每10个1组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列。 这项试验的真正意义在于未来人们能够通过操纵原子、 分子来随心所欲

5、地构造新的物质。,纳米绘画艺术纳米中国,这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而 绘制出的世界上最小的中国地图。,碳纳米球（富勒稀）-碳的第三种形态，纳米碳材料,The Nobel Prize in Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60). 碳原子组成的小单元看起来和足球一样。碳原子的活性差，导电，非常稳定。绝佳的材料和电性能,碳纳米管 Nanotube -碳的第三种形态，纳米碳材料,碳原子组成的圆柱体管状结构物质。 长度和直径之比很高的纤维，韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢

6、的1/6。 世界上最小的碳管-单壁碳纳米管，直径仅为0.4nm。,HOW TO MAKE THE INSOLUBLE SOLUBLE如何使碳纳米管溶解于水中？,Attaching large organic groups is key to unclumping(不聚集) nanotubes. If only they would swim freely in solution, nanotubes might easily realize their enormous potential for electronics and materials. But the chicken-wire-

7、like carbon cylinders are not originally soluble. They tend to clump together(团聚) in unmanageable globby(油迹斑斑的) ropes(毛线团）.,Carbon nanotubes with organic appendages(附加物) are highly soluble(高溶解）.,纳米碳管的应用-储氢,氢气的储存：气态:所占空间太大; 液化:压力太大，费用太高。 碳纳米管储氢：强吸附氢，储氢密度相当于液体氢，压力仅有100atm。 原理：碳纳米管的内径和氢原子的直径相似。在这种情况下，氢

8、气的储存浓度可以达到近似液体的水平。,Simulation snapshot(模拟快照) of hydrogen (H shown in red) adsorbing in an array of (10,10) carbon nanotubes at 298 K and 200 atm.,氧气吸附在碳纳米管使导电性变化Chemistry Highlight 2000,Oxygen (O) molecules(green) adsorbed on Carbon nanotubes cause changes in electronic Properties -Zetti and coworke

9、rs have found.,带开口的C60 Japanese chemists for the first time have prepared an open-cage fullerene derivative (富勒烯衍生物) with an orifice(洞口) large enough to allow a hydrogen (H) molecule to be inserted into the cage in 100% yield J. Am. Chem. Soc., 125, 7152 (2003). June 13, 2003,A NANO CONVEYOR( 纳米搬运)

10、Nature, 428, 924 (2004),Transmission electron microscope images at one-minute intervals show indium (In铟) moving along a carbon nanotube from left to right. that might someday be used to fabricate(构造) nanoscale devices.,Polymer Made In A Nano Test Tube碳纳米管内形成高分子,Fullerene epoxide polymerizes (环氧化聚合)

11、 to form a linear chain inside a carbon nanotube November 29, 2004, Chemical 2. 东方电气集团国际合作有限公司, 四川成都610036; 3. 杭州市特种设备检测院, 浙江杭州310027) 摘要: 为了研究纳米碳酸钙和纳米添加剂在促进燃煤脱硫中的特性,在ZCS-1智能测硫仪中进行纳米碳酸钙脱硫实验研究。结果表明,在炉温900 、钙硫比为2的条件下,脱硫效率高达90%; 1 150 时达到50%以上。三种纳米碳酸钙的脱硫效果明显好于普通碳酸钙。研究还表明,粒径越小,脱硫效果越好;不同煤种对脱硫效率有较大影响,主要和煤中硫分的含量和硫的分布形态有关;温度是决定脱硫效果的主要因素, 900 下效果最好,超过1 100 后效果明显下降。SEM和BET分析结果表明,纳米碳酸钙促进脱硫主要是由于其较为丰富的孔隙结构。添加纳米Al2O3 和纳米ZnO都能在一定程度上促进纳米碳酸钙脱硫。其中,纳米Al2O3 的效果较好, 1 150 能使脱硫效率提高20%左右,达到62%以上。 关键词: