1、納米技術與納米材料,目錄,一、納米科技的誕生 二、納米技術與納米材料 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，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類意愿，逐個地排列原子，制造“產品”，這是關于納米技術最早的夢想。 七十年代，科學家開始從不同角度提出納米科技的構想。,中國科學院化學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，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞。1982年，科學家發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

2、們揭示一個可見的原子、分子世界。1990年7月，第一屆國際納米科學技術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: 納米鑷子 碳納米管“秤”，稱量一個病毒的重量,二、納米技術與納米材料,納米材料: 在納米量級(1100nm)內調控物質結構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: 小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、表面效應 納米材

3、料特性取決于制備方法,表面效應,小尺寸效應,由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，其比表面積顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。（1） 特殊的光學性質（2） 特殊的熱學性質（3） 特殊的磁學性質（4） 特殊的力學性質超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。,量子尺寸效應,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能級變為分立能級，吸收光譜闕值向短波方向移動，這種現象稱為量子尺寸效應。,宏觀量子隧道效應,隧道效應是基本的量子現象之一，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

4、，人們發現一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應，他們可以穿越宏觀系統的勢阱而產生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應。,進一步認識納米,蛋白質、DNA、RNA、病毒，都在 1100nm的范圍 光合作用在“納米車間” 進行 細胞中的一些結構單元都是執行某種功能的“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” 納米結構是生命現象中基本的東西,量子柵欄,納米存儲器和DNA開關,納米材料,納米技術的發展,錢學森(1991)：“納米左右和納米以下的結構是下一階段科技發展的重點，會是一次技術革命，從而將在 21世紀又是一次產業革命。”到1999年，納

5、米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業額達到500億美元。 近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。,納米技術在美國,2010年: 80萬納米科技人才,GDP1萬億美元, 200萬個就業機會 能源部的8項優先研究中，6項有關納米材料 本世紀前10年幾個關鍵領域之一 制定了“國家納米技術倡議”(NNI): 納米材料 納米電子學、光電子學和磁學 納米醫學和生物學,納米技術在美國,軍工: 隱形飛機表面涂料、艦船表面納米涂料。美國總統布什2003.12.3日簽署了21世紀納米技術研究開發法案，批準聯邦政府在從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

6、術的研究開發。,美國F117隱形轟炸機,美國B2隱形轟炸機,納米技術在日本,1962年, 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: 納米實用化技術的計劃 三菱化工建立了(富勒烯)納米碳管生產線 自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣,納米技術在其它國家,韓國：全國納米技術研究院、納米顯示技術 印度：像抓軟件產業那樣抓納米科技 德國：把發展納米技術定位在新能源、新環境，全面帶動納米技術在各個領域的發展 法國：國家納米科技中心、納米產業基金 世界都在迎接納米時代的到來,中國納米技術進展,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

7、:氮化鎵粉體 清華大學:氮化鎵納米棒 中國科技大學:從四氯化碳制備出金剛石納米粉，被譽為“稻草變黃金”,中國納米技術應用,中科院化冶所 “七五攻關”: 納米碳化硅 “八五863”: 納米阻燃劑 中科院化學所 納米領帶 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 表面物理和化學特性可控 (表面改性和表面包覆),化學方法制備納米材料,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 化學沉淀法(均勻沉淀法, 共沉淀法)、水解法(醇鹽,鹵化物

8、)、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,化學方法制備納米顆粒,納米粉體表面改性,納米材料實用化的關鍵 表面物理控制 化學特性控制 粉體松散、不團聚 表面改性和表面包覆 化學法為主,掃描隧道顯微鏡,掃描隧道顯微鏡是80年代初期發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對物質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，還有近場光學顯微(NSOM)、側面力顯微鏡(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

9、系統來獲取圖像，因此這類顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡（SPM）。,STM觀測物質的納米結構,硅片上的納米氧化鋅膜AFM,五、幾種典型的納米材料,富勒烯,C80,C60,富勒烯的性質,超導電性 光聚合特性（在一定的光照條件下雙鍵被打 開，與相鄰的C60分子形成更加穩定的共價鍵而發生了聚合反應） 發光性質（C60晶體吸附了摻雜某種氣體使原來不能發光的C60分子具備了發光性質） 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，有望應用于臨床。,空間結構分為,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年由日本電鏡學家飯島教授通過高分辨電鏡發現的，屬碳材料家族中的新成員，為

10、黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數微米甚至數毫米。,碳納米管,碳納米管的制備,電弧放電法 催化裂解法(復合電極電弧催化法、碳氫化合物催化分解法CVD、)-化學氣相沉積法 激光蒸發（燒蝕）法 等離子體法 熱解聚合物法（化學熱解法） 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 美國科學周刊306卷,碳納米管尺寸盡管只有頭發絲的十萬分之一，但它的導電率是銅的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

11、管,碳納米管的獨特性能，決定了這種新型材料在高新技術諸多領域有著誘人的應用前景。在材料方面，可將其應用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復合材料領域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類反應的催化劑的優良載體。在軍事方面，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用于隱形飛機和超音速飛機。在航天領域，利用其良好的熱學性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。,碳納米管整流器,Intramolecular Nanotube Junctions,碳60,1985年在太空碳分子實驗室中，偶然發現60個碳原子組成空心的籠狀結構的碳分子，后來人們發現石墨碳分子經激光、電弧等強高溫加熱

12、，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 化學氣相沉積法(CVD) C60 合成,物理性質 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。非線性光學性能，室溫下是分子晶體，適當的金屬摻雜后的C60表現出良好的導電性和超導性。 化學性質 芳香性，傾向于得到電子，易于與親核試劑反應。多種C60衍生物，其中金屬包含于C60籠內部：MC60；金屬和C60在球外表起反應：MC60。,C60

13、的物理化學性質,應用與展望,C60的研究已涉及到有機化學、無機化學、生命科學、材料科學、高分子科學、催化化學、電化學、超導體與鐵磁體等眾多學科和應用研究領域，并越來越顯示出巨大的潛力和重要的研究及應用價值。,C60中引入堿金屬、堿土金屬原子，可以得到各向同性的超導性，制成了有機超導體。,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。結果研究出第一臺分子算盤，儲存信息容量是常規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，將 是下一代

14、電子元件和開發納 電子集成電路的關鍵。,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境中有害污染物是近年來日益受到重視的一項污染治理新技術。美國環保局公布了九大類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的處理。,什么是光催化,光催化劑受光照射，吸收光能，發生電子躍遷，生成電子-空穴對，通過把光能轉化為化學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。,半導體光催化原理,OH活性基反應能與污染

15、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的優點： 催化活性高、化學性質穩定、成本低、無毒因此被廣泛應用,主要有機物光催化降解反應,水解沉淀法制備納米TiO2,制備工藝,光催化技術應用領域,空氣凈化器,光催化循環水處理系統,光催化技術應用領域,防結霧和自清潔涂層,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生的強氧化能力和超親水性，可以實現表面自清潔,國家大劇院用的自清潔玻璃,納米器件在航空航天領域的應用，不

16、僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標成指數倍的降低。這方面的研究內容還包括：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、控制電子設備；抗熱障、耐磨損的納米結構涂層材料。,間諜衛星,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,納米結構微處理器的效率提高1兆倍，并實現太比特的存儲器(提高1000倍)；研制集成納米傳感器系統。,分子計算,國家安全,擁有納米技術知識產權和廣泛應用這些技術的國家，將在國家經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，微小機器人的應用將提高部隊的靈活性和增加戰斗的有效性； 用納米和微米機械設備控制，國家核防衛系統的性能將大幅度提高； 通過納米材料技術的應用，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、潛艇和戰斗機等。,納米機器人是納米生物學中最具誘惑力的內容。納米機器人可注入人體血管內，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。,生物醫藥,對納米最有興