纳米材料

•1第二讲纳米材料(1)Nanometer-Materials•2天文望远镜哈勃望远镜引言扫描电镜•人类科技发展绐终朝两个目标奋斗：一个是向着越来越大、越远的宏观世界进军，发明了望远镜向着世界的广度进军，探索宇宙的起源和进化；另一个是向着越来越小、越深的微观世界发展，发明了各种显微镜、粒子加速器，向着分子、原子、原子核、基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构。•3•19世纪末到20世纪初，人们对微观世界的认识已延伸到十分微小的层次．时间已缩短到纳(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飞(f)秒(10-15秒)的数量级。描述这些微观体系的学科相继建立，如原子核物理、粒子物理、量子力学等。在向着这两个极端目标无尽的征途中，人们蓦然回首，发现我们对原子、分子和宏观物体之间的中间领域，即纳米领域，却尚未认识和开拓。•4量子力学原子核物理粒子物理•5•20世纪60年代人类社会进入了一个被称为“后工业社会”、“信息社会”、“新经济社会”、“知识社会”等拥有多种名称的社会。科学家已经在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文化。•在材料科学的积累和进步中，以及在探测材料组织设备的不断更新和完善的基础上，信息与通讯材料、电子材料、光子材料正创造着“信息时代”；通信电缆Co超级存储材料单分子自旋态控制•6•航空航天材料、高聚物、复合材料等也开创了“太空时代”；航天密封用氢化丁腈橡胶航天复合管航天线材航空轴承•7•医学材料、高级陶瓷、生物材料、转基因食物、克隆材料又开启了“生命复制时代”等等。各种生物材料基因测序•8在信息、航空、生命等不同领域的背后，人们都可以纳米材料的身影。纳米材料出现许多既不同于宏观体系，也不同于微观体系的奇异性能，而且这个领域才是对人类自身关系最密切的物质层次，于是人们集中精力开展纳米科技的研究。纳米材料•9纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人类科学技术已进入一个新的纳米科学技术时代，人类即将从“毫米文明”和“微米文明”迈向即将到来的“纳米文明”。毫米文明微米文明纳米文明•10•以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革命，纳米技术的发展将推动信息、材料、能源、环境、生物、农业、国防等领域的技术创新，给传统产业带来极大的变革，进而为人类创造出许多新材料、新产品，彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式。•纳米技术必将成为21世纪科技发展的领头羊。•11纳米的定义1、纳米的定义•纳米(nanometer)是一种几何尺寸量度单位，简写为nm•1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m•1纳米是1米的10亿分之一•12人类DNA形态(方框边长为10nm)•在原子物理中使用埃(Å)作为计量单位•1Å=10-10m，1nm=10Å•1nm=1000皮米pm(picometre)•1pm=1000飞米fm(femtometre)•1fm=1000阿米am(attometre)•氢原子直径为1Å•1nm=10个氢原子一个挨一个排起来的长度•纳米是一个极小的尺寸单位•13C-H化合物中的原子排列方框边长为1nm•14•以长度米为坐标单位，人类所研究物质世界尺度大小比较。•约10亿光年人类已观察到的宇宙大致范围•约10亿光年可看到银河系的全貌•1000亿千米可看到冥王星的完整轨道•1万千米可分辨地球的一部分•1千米可分辨城市居民区的建筑排列•10米可看清在足球场上的人•1厘米可分辨皮肤表面皱纹的局部•100微米可分辨人体细胞、大小约17微米•15•1微米可看到聚集的染色体•100纳米可分辨染色体的两部分•1纳米可分辨DNA的分子结构•100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓•1nm=1000皮米•16•100飞米可以从整体上分辨出原子核•10飞米可看清原子核中的质子和中子•1飞米可分辨出组成质子和中子的夸克•100阿米进一步看清夸克，大小为10-10米•17纳米尺寸的量度•人的身高10亿nm•人头发的直径60,000-80,000nm•血液中的红血球6,000-9,000nm•细菌2,000-3,000nm•病毒尺寸几十nm•18微观尺度示意图•红细胞•病毒纳米材料的定义•19•在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。•现在，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内，或以它们作为基本单元构成的材料。•20•21按维数、纳米材料的基本单元可分为：•零维在空间三继尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；•一维指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；•二维指在三维空间中有—维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。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。•22纳米Au颗粒JanaetalAdv.Mater.2001,13,1389纳米氧化钴颗粒纳米Au线•231µm1µm1µm1µmFe2O3纳米带及其组装的阵列Wen,etal.J.Phys.Chem.B2005,109,215.一维金纳米线•金纳米线拥有良好的电、热、机械等特性，在纳米电子学领域具有广阔的应用前景。利用高能重离子轰击聚合物薄膜形成离子径迹，经过化学蚀刻获得重离子径迹模板，采用电化学沉积的方法将金填充到纳米尺度的孔道中，制备出不同晶体结构、直径小到20纳米的金纳米线阵列。•25美国佛罗里达大学科研人员最新研制出了一种新型由许多碳素纳米管C60组成的纳米薄膜，它的质量比钢轻10倍，但强度却是钢的250倍。这种新型材料用途广泛，可用于航空、军事、太空以及日常生活等各个领域。二维碳素纳米薄膜熟悉的纳米材料•26最早的人工纳米材料—墨•著名的文房四宝中的墨就包含碳的纳米微粒。•我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料。2000多年前，他们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉。•这种碳粉不但是制墨的原料，而且还可以用做染料。•27•28用这种方法获得的碳粉实际上就是纳米粉体。我们的祖先并不知道纳米材料的概念，也没有任何手段来分析这些纳米颗粒，他们却知道用这种方法获得的超细碳粉所做成的墨具有良好的性能。•色泽细腻•附着力强•经久不变•29古代松烟制墨图•30•早期的墨，是用天然色料合胶而成。汉代起，才用松烟制墨。•长沙马王堆西汉墓出土的帛画使用了当时的墨作为颜料，历经2000多年仍然色泽清晰新石器时代陶器纹饰•31我国最著名的墨是安徽徽墨。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱，就是烟凝结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓“精烟徽墨”）、树胶、少量香料及水份制成，书写的毛笔字有光泽且能保持较长时间不褪色。安徽徽墨人工纳米涂层•中国古代铜镜表面的防锈层，经检验证实为纳米氧化锡颗粒构成的—层薄膜；湖北江陵出土的勾践剑到今天仍然锋利，没有锈蚀，这也归功于剑身表面的氧化物纳米涂层。虽然当时人们并不知道涂层是由肉眼根本看小到的纳米颗粒构成，但却懂得使用它们来保护自己的工具。•32勾践剑铜镜天然纳米材料—观音土•在微观上，观音土究竟什么样？科学家们发现观音土其实是一种天然的纳米孔材料。•33•34•硅藻土是硅藻这种单细胞藻类生物留下来的遗体，壳壁由非晶二氧化硅和果胶组成，壳缝为125纳米左右。对壳壁上点纹、线纹观察后发现，它们都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在20-100纳米。所以硅藻土是天然的纳米孔材料。•提纯、改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能。硅藻土过滤片生物中的纳米结构和纳米材料•生物多样性及其复杂性的来源，不是主要决定于组成它的原于和分子，而是决定于这些原子和分子在纳米尺度上的结构，以及纳米尺度上的生命运动规律。自然界中早就存在纳米微粒和纳米结构，只是我们没有注意到而已。•35自洁的荷花•周敦颐的《爱莲说》中对荷花有一句深刻的描写，至今仍然脍炙人口：“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。从这两句描写中可以看出，古人已经发现荷叶具有很强的自洁作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷叶的干净清爽在很大程度上衬托出了荷花的美丽。•36•今天人们发现，荷叶叶面部具有较强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。•37荷叶自洁效应•荷叶为什么能出污泥而不染？为什么会有这种“荷叶效应”?从荷叶的基本化学成分来看，荷叶是由叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物组成，拥有丰富的-OH、-NH等极性基团。这些极性基团在自然环境中很容易吸附水分或污渍，因此用传统的化学分子极性理论来解释是行不通的。•38•39•有些科普书中是这样解释的：“出水荷叶上溅了水滴，由于荷叶上有细毛，水不能吸附在荷叶上”。荷叶上有细毛这一点，凭手感就能察觉，但其表面根本达不到机械学意义上的粗糙度，因而从机械学的粗糙度来解释也不行。•两位德国科学家经过长期观察研究，终于揭开荷叶自洁奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“山包”，“山包”的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。•40荷叶叶面微观结构（100微米）•这些“山包”又是由许多直径为200nm左右的突起组成的。这样就在“微米结构”上再叠加上“纳米结构”，在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数“小山”。•41荷叶小突起再放大后见到的纳米结构•在“小山”之间的凹陷部分充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚度的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上面，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，在“山头”间跑来跑去，却不能进入到荷叶内部。于是荷叶便有了疏水的性能。水滴在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是荷叶能自洁的奥妙所在。•42•43要制备具有荷叶效应的自清洁超疏水表面材料还有很长的路要走，而中国的研究人员在正确的方向上取得了很有意义的进展。中国科学家采用一种普通的塑料——聚苯乙烯微球——制备出一种具有超疏水性质的塑料薄膜。多孔微球和纳米纤维复合材料海洋的真正主人•浩瀚的海洋就是一个庞大越微粒的聚集场所。原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子(0.4—1.0μm)具有很丰富的浓度．约为106—107/毫升，最近威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是这种亚微米粒子的3倍。这些纳米粒子才是真正的海洋主人，对海洋的运动、海洋中的各种生命等有着重要影响。通过对这些纳米粒子的研究，可以获取海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息。•44恋家的蜜蜂•蜂窝是有许多规整的六边形蜂房组成，蜜蜂居住在其中。科学家发现，每只蜜蜂都有属于自己的蜂房。虽然每个蜂房的形状几乎完全相同，但蜜蜂相互之间不会“走”错房间。•45六边形的蜂房采蜜的蜜蜂•最近，英国科学家发现蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性颗粒一方面具有指南针功能，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并判明方向，为其活动导航；另一方面具有存储器功能，当蜜蜂靠近自己的蜂房时，它们就把周围环境的图像储存起来，外出采蜜归来就启动这种记忆，实质就是把自己储存的图像与所看到的图像进行对比和移动，当两个图像完全一致时．它们就明白又回家了。•46“横行”的螃蟹•螃蟹以其独特的“横行”方式成为生物界中一道别致的风景。•47横行的螃蟹•生物科学家最近研究指出，螃蟹原先并不是象现在这样横行运动，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蟹螯里有几颗用于定向的磁性纳米微粒，就象是几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。但是，由于地壳剧烈运动，地球的磁场发生多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定问作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。•48全球定位的海龟•美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海