10纳米材料

纳米材料纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，“毛估估”的做法说明了我们对这个世界认知的粗浅。以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类认知推向毫米层次。从不同尺度上认知第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一———微米诞生了。纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论从不同尺度上认知随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次———纳米层次，才会有更大的突破，比如将现在的笔记本电脑变得像手表一样小，或更小，可以把它固定在纺织品面料上。我们现在所熟悉的“原材料”将是小至纳米级的原子、分子。纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论１９５９年，诺贝尔奖获得者、被认为继爱因斯坦之后最为睿智的理论物理学家—理查得·费因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从上而下”的，他提出：为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进行组装，达到我们的要求？……物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。”国际上公认0.1～100nm为纳米尺度空间。看得见原子只是第一步！第二步就是要能够操纵它。１９９０年，美国加州ＩＢＭ实验室，将３５个氙原子排布成“ＩＢＭ”３个字母，总面积只有几个平方纳米，人类第一次实现了操纵单个原子，纳米科技的序幕拉开了。纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论纳米科技的终极目标，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。现在人们的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品，造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大。纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论而纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。纳米技术将极大地提高人类储存、处理信息的能力。相对于同等体积、重量的微电子芯片，按纳米结构做成的纳电子芯片可储存１００万至１０００万倍的信息量。纳米科学与纳米技术材料科学与工程概论如果我们将因特网技术和纳米技术结合起来，将来我们从因特网上不仅能下载软件，而且能下载具有特定功能的硬件——例如纳米传感器。比如我需要一个手机，通过因特网告诉企业我的需求，对方根据我的需求设计出相应软件，通过因特网指挥一个“纳米盒”（比如类似于打印机大小的个性化工厂，如纳米操纵器）工作，我们所要做的，就是将需要的原子、分子“原料”放进去，就可能进行因特网生产。那么，企业的生产成本就大大降低，仅仅是脑力劳动成本，同时产品又可大量复制！到时候，从事直接物质生产的工人大大减少，人类就主要从事科学研究，以及艺术活动了.“这是我们人类的梦想！”主要内容一、纳米科学与纳米技术二、纳米科技的基本概念及研究意义三、纳米材料的性质与制备四、纳米材料的应用纳米材料的基本概念及研究意义材料科学与工程概论•纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。•1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m•1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。纳米和纳米科技的概念纳米结构？纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米技术？在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。材料科学与工程概论纳米科技纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-10-10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。材料科学与工程概论纳米科技主要包括：①纳米体系物理学；②纳米化学；③纳米材料学；④纳米生物学；⑤纳米电子学；⑥纳米加工学；⑦纳米力学。纳米科技什么是纳米科技？•创造和制备优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米区域的性质和现象纳米科技的科学意义（1）纳米科技将促使人类认知的革命首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土。其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。(2)纳米科技将引发一场新的工业革命•纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.主要内容一、纳米科学与纳米技术二、纳米科技的基本概念及研究意义三、纳米材料的性质与制备四、纳米材料的应用纳米材料的制备也有人按所制备的体系状态进行分类，分为气相法、液相法和固相法。气相法是直接利用气体或利用各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。如气体蒸发法，化学气相反应法，化学气体相凝聚法和溅射法等。液相法是指在均相溶液中，通过各种方式使溶质和溶剂分离，溶质形成形状、大小一定的颗粒，得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗粒的方法。液相法典型的有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法等。固相法是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法。固相法有热分解法、溶出法、球磨法等。碳纳米管的制备目前，科学家们已发明3种方法制备含量相当高的碳纳米管的烟尘。但至今这3种方法还有严重的局限性，制取的碳纳米管长短不一，有许多缺陷和多种扭曲。1.火花法这种方法是将两根石墨棒连接到电源，棒端间距为数毫米。合上电闸，石墨棒之间产生100A的电弧，使石墨气化成为等离子体，其中一些以碳纳米管的形式重新凝聚，按质量计算，一般产率为30%。优点是使用高温并在石墨棒上加金属催化剂，可以制备几乎没有缺陷的单层或多层碳纳米管。缺点是管较短（不超过50μm），沉积时尺寸和取向都是随机的。纳米材料的制备（举例）纳米碳管2.热气法这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。优点是在三种方法中最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。缺点是制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。纳米材料的制备3.激光轰击法Rice大学的RichardSmally和他的合作者用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到碳纳米管。在实验了多种催化剂后，该小组发现了可大量制备单层碳纳米管的条件，一般产率可达70%。优点是主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。缺点是需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。纳米材料的制备主要内容一、纳米科学与纳米技术二、纳米科技的基本概念及研究意义三、纳米材料的性质与制备四、纳米材料的应用纳米材料的奇异性能•纳米金属的熔点比普通金属低几百度；•气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；•纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高１０倍；•纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；•纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。用作发光二极管、激光二极管，实现光电集成。中科大功能纳米材料研究室1.纳米硅发光奇异性能实例2.碳纳米管多种优异性能碳纳米管是由碳原子按一定规则排列形成的空心笼状管式结构，其直径不超过几十纳米（一纳米为十亿分之一米）。导电性强、场发射性能优良、强度是钢的100倍、韧度高等，是一种用途广泛的新材料。莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧纳米管做成的“纳米秤”更令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。碳纳米管储氢高质量的碳纳米管能储存大量氢气，从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车。H23.碳60的奇异性能1985年在太空碳分子实验室中，偶然发现60个碳原子组成空心的笼状结构的碳分子，后来人们发现石墨碳分子经激光、电弧等强高温加热，或又在一定的催化剂（铁基和镍基）的帮助下，碳原子能形成C60分子。碳60超导体已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。C60作成的分子算盘•1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘，储存信息容量是常规电子计算机存储器的10亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器的第一部。•移动单个分子或原子的技术，将是下一代电子元件和开发纳电子集成电路的关键。4.催化活性增强以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。纳米技术潜在应用•纳米科技将对信息和生物技术产业产生革命性的影响•促使传统产业的“旧貌换新颜”比如通过纳米材料的研究，我们在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌。通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间也延长了两倍多。纳米武器称雄未来战场间谍草机器苍蝇蚊子导弹蚂蚁士兵麻雀卫星“间谍草”这是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。“机器苍蝇”它既能被飞机、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敌军信息系统和武器系统附近，大批“机器苍蝇”可在某地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取量。如果再在它们身上安装某种极小的弹头，“苍蝇”无疑会变成“马蜂”。“蚊子导弹”利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮．坦克、飞机、指挥部和弹药库。“蚂蚁士兵”这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。Teleoperatedorautonomous它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通，有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。“麻雀卫星”质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失