納米技術(shù)與納米材料課件

1、納米技術(shù)與納米材料目錄一、納米科技的誕生二、納米技術(shù)與納米材料三、納米材料的制備四、納米材料的表征五、幾種典型的納米材料一、納米科技誕生1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼預(yù)言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。 七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出納米科技的構(gòu)想。中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員石墨表面通過搬遷碳原子而繪出的世界上最小的中國地圖。 1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原

2、子、分子世界。1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科技的正式誕生1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”；1991年，NEC實驗室觀察到碳納米管；1993年中國科學(xué)院北京真空物理實驗室操縱原子成功寫出“原子”二字。朗訊公司和牛津大學(xué): 納米鑷子碳納米管“秤”，稱量一個病毒的重量二、納米技術(shù)與納米材料納米材料: 在納米量級(1100nm)內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的具有特異性能的新材料四大特點: 尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大四大效應(yīng): 小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)納米材料特性取決于制備方法表面效應(yīng)小尺寸

3、效應(yīng)由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，其比表面積顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì)（2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì)（3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì)（4） 特殊的力學(xué)性質(zhì)超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。量子尺寸效應(yīng) 微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗?，吸收光譜闕值向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相

4、干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。進一步認識納米蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在 1100nm的范圍光合作用在“納米車間” 進行細胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞象一個“納米工廠”蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應(yīng)”納米結(jié)構(gòu)是生命現(xiàn)象中基本的東西量子?xùn)艡诩{米存儲器和DNA開關(guān)納米材料納米技術(shù)的發(fā)展 錢學(xué)森(1991)：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的重點，會是一次技術(shù)革命，從而將在 21世紀又是一次產(chǎn)業(yè)革命?！钡?999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元。 近年來

5、，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。納米技術(shù)在美國2010年: 80萬納米科技人才,GDP1萬億美元, 200萬個就業(yè)機會能源部的8項優(yōu)先研究中，6項有關(guān)納米材料本世紀前10年幾個關(guān)鍵領(lǐng)域之一制定了“國家納米技術(shù)倡議”(NNI):納米材料納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué) 納米技術(shù)在美國軍工: 隱形飛機表面涂料、艦船表面納米涂料。美國總統(tǒng)布什2003.12.3日簽署了21世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法案，批準聯(lián)邦政府在從2005財政年度開始的4年中共投入約37億美元，用于促進納米技術(shù)的研究開發(fā)。美國F117隱形轟炸機美國B2隱形轟炸機 納米技術(shù)在日本1962年,

6、久保(Kubo): 久保理論國會: 21世紀前20年的立國之本著名大企業(yè): 納米實用化技術(shù)的計劃三菱化工建立了(富勒烯)納米碳管生產(chǎn)線自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣 納米技術(shù)在其它國家韓國：全國納米技術(shù)研究院、納米顯示技術(shù)印度：像抓軟件產(chǎn)業(yè)那樣抓納米科技德國：把發(fā)展納米技術(shù)定位在新能源、新環(huán)境，全面帶動納米技術(shù)在各個領(lǐng)域的發(fā)展法國：國家納米科技中心、納米產(chǎn)業(yè)基金世界都在迎接納米時代的到來 中國納米技術(shù)進展中科院物理所制備出大面積碳納米管陣列;合成了當時最長的纖維級碳納米管中國科技大學(xué):氮化鎵粉體清華大學(xué):氮化鎵納米棒中國科技大學(xué):從四氯化碳制備出金剛石納米粉，被譽為“稻草變黃金” 中國納米技術(shù)

7、應(yīng)用中科院化冶所“七五攻關(guān)”: 納米碳化硅“八五863”: 納米阻燃劑中科院化學(xué)所納米領(lǐng)帶超雙疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 納米聚丙烯管材高強度、抑菌功能三、納米材料制備對納米材料的要求尺寸可控(小于 100 nm)成分可控形貌可控晶型可控表面物理和化學(xué)特性可控(表面改性和表面包覆)表面效應(yīng) 尺寸效應(yīng)體積效應(yīng) 化學(xué)方法制備納米材料氣相法 氣溶膠法、激光法、等離子法、裂解法、氧化法、水解法、燃燒法等液相法 化學(xué)沉淀法(均勻沉淀法, 共沉淀法)、水解法(醇鹽,鹵化物)、溶膠-凝膠法、水熱法等物理方法制備納米材料氣相法惰性氣體冷凝法固相法高能球磨法攪拌磨法震動磨法化學(xué)方法制備納米顆粒納米粉

8、體表面改性納米材料實用化的關(guān)鍵表面物理控制化學(xué)特性控制粉體松散、不團聚表面改性和表面包覆化學(xué)法為主掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡是80年代初期發(fā)展起來的新型顯微儀器，可以作為在極其細微的尺度即納米尺上實現(xiàn)對物質(zhì)表面精細加工的新奇工具。四、納米材料的表征STM針尖目前除了隧道顯微鏡(STM）、原子力顯微鏡(AFM)以外，還有近場光學(xué)顯微(NSOM)、側(cè)面力顯微鏡(IFM)、磁力顯微鏡(MFM)已有二十多個品種。由于它們都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像，因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM）。STM觀測物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)硅片上的納米氧化鋅膜AFM五、幾種典型的納米材料富勒烯C80C60富勒烯的性

9、質(zhì) 超導(dǎo)電性光聚合特性（在一定的光照條件下雙鍵被打 開，與相鄰的C60分子形成更加穩(wěn)定的共價鍵而發(fā)生了聚合反應(yīng)）發(fā)光性質(zhì)（C60晶體吸附了摻雜某種氣體使原來不能發(fā)光的C60分子具備了發(fā)光性質(zhì)）生物活性（水溶性富勒烯衍生物能夠抑制人體免疫缺陷病毒酶，有望應(yīng)用于臨床。 空間結(jié)構(gòu)分為球形富勒烯 管狀富勒烯洋蔥狀富勒烯富勒烯碳納米管，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管碳納米管的制備電弧放電法催化裂解法(復(fù)合電極電弧催化法、碳氫

10、化合物催化分解法CVD、)-化學(xué)氣相沉積法激光蒸發(fā)（燒蝕）法等離子體法熱解聚合物法（化學(xué)熱解法）電解法飯島澄男碳氫化合物催化分解法單壁納米管的生長2004年11月19日 美國科學(xué)周刊306卷碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的1萬倍，它的強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。螺旋狀碳納米管碳納米管的獨特性能，決定了這種新型材料在高新技術(shù)諸多領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。在材料方面，可將其應(yīng)用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復(fù)合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面

11、，可利用它對波的吸收、折射率高的特點，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機和超音速飛機。在航天領(lǐng)域，利用其良好的熱學(xué)性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。H2碳納米管整流器Intramolecular Nanotube Junctions碳60 1985年在太空碳分子實驗室中，偶然發(fā)現(xiàn)60個碳原子組成空心的籠狀結(jié)構(gòu)的碳分子，后來人們發(fā)現(xiàn)石墨碳分子經(jīng)激光、電弧等強高溫加熱，或又在一定的催化劑（鐵基和鎳基）的幫助下，碳原子能形成C60分子。C60的合成方法 苯火焰燃燒法 1991年7月,麻省理工學(xué)院教授Jack Howard及其實驗伙伴，從1000g純碳中得到3g富烯電弧放電法 化學(xué)氣相沉積

12、法(CVD) C60 合成物理性質(zhì) 黑色粉末，密度1.65g/cm3g/cm3，熔點700，易溶于CS2、甲苯等，抗沖擊能力強。非線性光學(xué)性能，室溫下是分子晶體，適當?shù)慕饘贀诫s后的C60表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性。化學(xué)性質(zhì) 芳香性，傾向于得到電子，易于與親核試劑反應(yīng)。多種C60衍生物，其中金屬包含于C60籠內(nèi)部：MC60；金屬和C60在球外表起反應(yīng)：MC60。C60的物理化學(xué)性質(zhì)應(yīng)用與展望C60的研究已涉及到有機化學(xué)、無機化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、高分子科學(xué)、催化化學(xué)、電化學(xué)、超導(dǎo)體與鐵磁體等眾多學(xué)科和應(yīng)用研究領(lǐng)域，并越來越顯示出巨大的潛力和重要的研究及應(yīng)用價值。 C60中引入堿金屬、堿土金屬

13、原子，可以得到各向同性的超導(dǎo)性，制成了有機超導(dǎo)體。C60作成的分子算盤1996年11月，IBM公司在瑞士蘇黎士研究室工作的物理學(xué)家金澤夫斯基等，想能否用一臺掃描隧道顯微鏡和一些布基球，制成一個能計算的機器。結(jié)果研究出第一臺分子算盤，儲存信息容量是常規(guī)電子計算機存儲器的10億倍，可能是將來制造出分子般大小的機器的第一部。移動單個分子或原子的技術(shù)，將是下一代電子元件和開發(fā)納電子集成電路的關(guān)鍵。C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。實心的納米棒、納米線、量子線半導(dǎo)體ZnO納米帶 LaOH與納米線NiO納米線光催化材料利用光催化的方法氧化降解環(huán)境中有害污染物是近年來日益受到重視的一項污染治

14、理新技術(shù)。美國環(huán)保局公布了九大類114種有機物被證實可以通過光催化氧化處理。該方法尤其適合于無法或難以生物降解的有毒有機物質(zhì)的處理。什么是光催化 光催化劑受光照射，吸收光能，發(fā)生電子躍遷，生成電子-空穴對，通過把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而促進化合物的合成或使化合物（有機物或無機物）降解的過程稱之為光催化。 半導(dǎo)體光催化原理OH活性基反應(yīng)能與污染物鍵能的對比幾種常用的光觸媒納米光觸媒： TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等TiO2的優(yōu)點： 催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、無毒因此被廣泛應(yīng)用主要有機物光催化降解反應(yīng)水解沉淀法制備納米TiO2煅燒冰水浴攪拌清洗、干燥(N

15、H4)OHTiO2薄膜混合液(NH4)2SO4+HCl陶瓷片+水TiCl4溶液TiO2/硅藻土基多孔陶瓷復(fù)合材料制備工藝光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域空氣凈化器光催化循環(huán)水處理系統(tǒng)光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域防結(jié)霧和自清潔涂層TiO2薄膜有機污垢無機污垢CO2 H2O 窗玻璃、建筑物的外墻磚、高速公路的護欄、路燈等表面涂覆一層氧化鈦薄膜，利用氧化鈦薄膜在光照射下產(chǎn)生的強氧化能力和超親水性，可以實現(xiàn)表面自清潔國家大劇院用的自清潔玻璃 納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標成指數(shù)倍的降低。這方面的研究內(nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照、高性能計算機；微型航天器用納米集成的測試、控制電子設(shè)備；

16、抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。間諜衛(wèi)星納米材料在航空航天International Space Station(2001-08-20)International Space Station納米材料在航空航天Columbus Laboratory把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達圖像 納米材料在航空航天微電子和計算機技術(shù) 納米結(jié)構(gòu)微處理器的效率提高1兆倍，并實現(xiàn)太比特的存儲器(提高1000倍)；研制集成納米傳感器系統(tǒng)。分子計算國家安全 擁有納米技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)和廣泛應(yīng)用這些技術(shù)的國家，將在國家經(jīng)濟安全和國防安全方面處于有利地位。先進的納米電子器件在信息控制方面；通過納米機械學(xué)，微小機器人的應(yīng)用將提高部隊的靈活性和增加戰(zhàn)斗的有效性；用納米和微米機械設(shè)備控制，國家核防衛(wèi)系統(tǒng)的性能將大幅度提高；通過納米材料技術(shù)的應(yīng)用，可使武器裝備的耐腐蝕、吸波性和隱蔽性大大提高，可用于艦船、潛艇和戰(zhàn)斗機等。納米機器人是納米生物學(xué)中最具誘惑力的內(nèi)容。納米機器人可注入人體血管內(nèi)，可以進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細胞。生物醫(yī)藥 對納米最