纳米材料的发展与展望

•一、概述•二、纳米材料的概念和分类•三、纳米材料的特性•四、纳米材料与纳米技术的应用•五、发展与展望一、纳米概念的诞生1959年，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。如果有一天可以按照人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？•纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。•1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。•1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2nm）硅原子的“毛泽东”。汉字的大小只有几个纳米•白春礼院士•1988年4月12日，中国第一台计算机控制的STM研制成功。纳米世界的眼和手—扫描隧道显微镜（STM）STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。原子力显微镜（AFM）利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像二、纳米技术与纳米材料的概念•过去，人们只注意原子、分子或者宏观物质，常常忽略纳米这个中间领域，而这个领域大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。纳米就在我们身边纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。•纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成,一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。•纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。纳米材料纳米材料的分类•1.按结构：•零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等•一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线纳米管•二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜•三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。2.按组成可分为：•金属纳米材料•半导体纳米材料•有机和高分子纳米材料•复合纳米材料：无机粒子与有机高分子复合材料，无机半导体的核壳结构3.按材料物性可分为：•纳米半导体•纳米磁性材料•纳米非线性光学材料•纳米铁电体•纳米超导材料•纳米热电材料三、纳米材料的特性•从通常的关于微观和宏观的观点看，纳米级这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。1.表面效应•表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。•纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬空键,并具有不饱和性,因而极易与其他原子相结合而趋于稳定,所以,具有很高的化学活性.•利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂。•超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。如要防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。•用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。纳米颗粒表面效应——活性2.小尺寸效应•随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。3.量子限域效应•微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。对于宏观物体包含无限个原子，N→∞，于是δ→0，即宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，N值很小，能级间距将发生分裂，这就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性不同，从而产生量子尺寸效应。例如，温度为1K时，直径小于14nm的银纳米颗粒会变成绝缘体。4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。四、纳米科技的应用•光电材料•环境和能源•生物医学•航天和航空•军事碳纳米管•碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。•研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。•有人预测，可以生产出储氢的汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。H2H2光电材料集成电路一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。CPUSRAM静态随即存储器激光唱片肉眼看激光唱片(CompactDisk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。•上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术•下图：Millipede存储芯片的实验室原型。纳米存储器•芯片厂商英特尔冀望于用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片厂商面临的一些大问题。•芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。预计碳纳米管是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路•2008年2月1日•亚利桑那州立大学DavidK.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。•利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance)和很大的隧道磁电阻(tunnelingmagnetoresistance)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。•1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器样管1.汽车尾气含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。在化工领域中的应用2.拯救水资源•特种半导体纳米材料使海水淡化；•纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废水，降解石油……•利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。•将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。•目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。3.走进你家里•纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。•杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。二个月不用洗——信不信由你纳米服装纳米泵人造红细胞•它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气血液形态图在生物医学领域的应用纳米药包•诺贝尔奖得主斯莫利的预言；•美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；•在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；纳米技术和基因疗法的结合•瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。•用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位；果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性•成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。•用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。•科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。•小型摄像机：用于检测消化系统疾病。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature451,770-771(14February2008)|纳米机器人•“纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。•第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。•第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置•第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。纳米清洁工•科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。•纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而