1、1第第7章章 材料與化學(xué)材料與化學(xué)n7.1 7.1 金屬材料金屬材料n7.2 7.2 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料n7.3 7.3 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料n7.4 7.4 納米材料納米材料n7.5 7.5 高分子材料高分子材料n7.6 7.6 液晶材料液晶材料26.1 金屬材料金屬材料n新型輕質(zhì)金屬合金材料新型輕質(zhì)金屬合金材料 金屬鈦金屬鈦 熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：16001600C C，密度：密度：4.54.5g/cmg/cm3 3 鈦合金具有高耐蝕性、良好的耐熱性及鈦合金具有高耐蝕性、良好的耐熱性及低溫性能，主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，被低溫性能，主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，被稱為稱為“空間金屬空間金屬”。 鈦生物

2、組織和體液有良好的兼容性，可鈦生物組織和體液有良好的兼容性，可以用作生物材料，用于制造以用作生物材料，用于制造人工關(guān)節(jié)、心人工關(guān)節(jié)、心臟起搏器臟起搏器等。等。3n金屬或合金在熔融狀態(tài)下緩慢冷卻得到的是晶金屬或合金在熔融狀態(tài)下緩慢冷卻得到的是晶態(tài)金屬或合金。如果在熔融狀態(tài)下以極高的速態(tài)金屬或合金。如果在熔融狀態(tài)下以極高的速度驟冷，冷卻速度約在度驟冷，冷卻速度約在106K/S，使原子來不使原子來不及有序化排列，形成的是非晶態(tài)金屬或合金。及有序化排列，形成的是非晶態(tài)金屬或合金。這種結(jié)構(gòu)與玻璃的結(jié)構(gòu)極為相似，所以稱為這種結(jié)構(gòu)與玻璃的結(jié)構(gòu)極為相似，所以稱為。n普通玻璃是硅酸鹽或硅的氧化物，它們的顯著普通

3、玻璃是硅酸鹽或硅的氧化物，它們的顯著特點(diǎn)是脆而透明，而金屬玻璃卻與普通玻璃相特點(diǎn)是脆而透明，而金屬玻璃卻與普通玻璃相反，它們是反，它們是韌而不透明韌而不透明的的。4形狀記憶合金形狀記憶合金 n19621962年，美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)年，美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)Ni-TiNi-Ti合金具有合金具有“形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)”。n這種合金材料在一定的條件下變形后，這種合金材料在一定的條件下變形后，能夠恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。目能夠恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。目前的解釋是因這類合金具有前的解釋是因這類合金具有。具有馬氏體相變的合金，將它加熱到相具有馬氏體相變的合金，將它加熱到相變溫度時(shí)，就能從馬

4、氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽儨囟葧r(shí)，就能從馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椋耆謴?fù)原來的形狀。，完全恢復(fù)原來的形狀。 5形狀記憶合金可以分為三種：形狀記憶合金可以分為三種：n（1 1 （2 2）雙程記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng) （3 3）全程記憶效應(yīng)）全程記憶效應(yīng) 6三種形狀記憶合金的示意圖：三種形狀記憶合金的示意圖：7A As s表示升溫時(shí)開始逆轉(zhuǎn)的溫度表示升溫時(shí)開始逆轉(zhuǎn)的溫度Ms表示冷卻時(shí)開始產(chǎn)生熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度表示冷卻時(shí)開始產(chǎn)生熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度M Mf f表示冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變終止的溫度表示冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變終止的溫度A Af f表示逆轉(zhuǎn)完全的溫度表示逆轉(zhuǎn)完全的溫度89 n形狀記憶合金的高溫相具有較高的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性（形狀記憶

5、合金的高溫相具有較高的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性（），），通常為通常為。n在在Ms溫度以下溫度以下,單一取向的高溫相轉(zhuǎn)變成具有不同取向的單一取向的高溫相轉(zhuǎn)變成具有不同取向的。當(dāng)在。當(dāng)在Ms溫度以下使這種材料變形以制成元件時(shí)，材料內(nèi)與應(yīng)溫度以下使這種材料變形以制成元件時(shí)，材料內(nèi)與應(yīng)力方向處于不利地位的馬氏體變體不斷消減；處于有利地位的則力方向處于不利地位的馬氏體變體不斷消減；處于有利地位的則不斷生長。最后轉(zhuǎn)變成具有單一取向的有序馬氏體的元件。不斷生長。最后轉(zhuǎn)變成具有單一取向的有序馬氏體的元件。n如再度加熱到如再度加熱到As點(diǎn)以上，這種對(duì)稱性低的、單一取向的馬氏體發(fā)點(diǎn)以上，這種對(duì)稱性低的、單一取向的馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)

6、變時(shí)，又形成先前的單一取向的高溫相。對(duì)應(yīng)于這種微觀生逆轉(zhuǎn)變時(shí)，又形成先前的單一取向的高溫相。對(duì)應(yīng)于這種微觀結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變，便恢復(fù)了材料在高溫時(shí)的宏觀形狀，這就是結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變，便恢復(fù)了材料在高溫時(shí)的宏觀形狀，這就是所謂的所謂的。n經(jīng)過某種工藝處理的記憶元件，冷卻到經(jīng)過某種工藝處理的記憶元件，冷卻到Ms以下時(shí)以下時(shí),可恢復(fù)到低溫時(shí)可恢復(fù)到低溫時(shí)的形狀的形狀,則稱為則稱為效應(yīng)效應(yīng)。 1011天線的制作與相變過程示意圖天線的制作與相變過程示意圖12Ti-NiTi-50Ni6078Cu-Al-NiCu-14.1Al-4.2Ni%(質(zhì)量 )2.520In-CdIn-21Ti6065Ti-Ni-FeT

7、i-47Ni-3Fe-90-7213無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料n傳統(tǒng)陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷材料1. 玻璃：玻璃：普通玻璃普通玻璃（為鈉玻璃）（為鈉玻璃） Na2OCaO6SiO2 石英玻璃石英玻璃：SiO280% 彩色玻璃彩色玻璃：加有色金屬。：加有色金屬。 如：如：CuO綠色；綠色；Co2O3藍(lán)色；藍(lán)色；Cu2O紅色；紅色； AgCl或或AgBr變色玻璃變色玻璃2. 水泥：水硬性凝膠材料水泥：水硬性凝膠材料 硅酸三鈣（硅酸三鈣（3CaOSiO2）50% 14特種陶瓷材料特種陶瓷材料 用純的用純的Al2O3，燒結(jié)溫度可達(dá)燒結(jié)溫度可達(dá)2000，能制成潔白如玉，堅(jiān)硬非凡的氧化鋁陶瓷，能制成潔白如玉，堅(jiān)

8、硬非凡的氧化鋁陶瓷，叫剛玉（俗稱叫剛玉（俗稱）。）。紅寶石：紅寶石：加入加入2 23%3%的氧化鉻；的氧化鉻；藍(lán)寶石：加入藍(lán)寶石：加入0.5%0.5%的氧化鈦及的氧化鈦及1.5%1.5%的氧化鐵；的氧化鐵；黃寶石黃寶石：加入：加入0.50.51.0%1.0%的氧化鎳。的氧化鎳。 15高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷1617壓電陶瓷壓電陶瓷 1819 20光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維n光導(dǎo)纖維是光導(dǎo)纖維是19661966年英籍華人年英籍華人高錕高錕（Charles KaoCharles Kao）提出利用提出利用石英玻璃纖維石英玻璃纖維，去除其中的過渡金屬離于制造光纖的設(shè)想。，去除其中的過渡金屬離

9、于制造光纖的設(shè)想。19701970年美國人年美國人卡普倫卡普倫（KapronKapron）制成第一根制成第一根光纖光纖以來進(jìn)展以來進(jìn)展神速。神速。n通信光纜一般都采用芯皮結(jié)構(gòu)。入射光線（通信光纜一般都采用芯皮結(jié)構(gòu)。入射光線（GaAsGaAs半導(dǎo)體激半導(dǎo)體激光管為光源）在光纖芯體內(nèi)部界面產(chǎn)生光管為光源）在光纖芯體內(nèi)部界面產(chǎn)生全反射全反射，全反射光，全反射光線又以同樣的角度在對(duì)面界面上發(fā)生第二次全反射，如此線又以同樣的角度在對(duì)面界面上發(fā)生第二次全反射，如此經(jīng)過多次反射，將光從一端送到另一端，從而傳遞信息和經(jīng)過多次反射，將光從一端送到另一端，從而傳遞信息和圖象等。圖象等。21 n10月月6日，瑞典皇

10、家科學(xué)院宣布，將日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科學(xué)家威拉理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科學(xué)家威拉德德博伊爾和喬治博伊爾和喬治史密斯。史密斯。n這是高錕、威拉德這是高錕、威拉德博伊爾和喬治博伊爾和喬治史密斯史密斯(從左到右從左到右)的的照片。照片。 22高錕獲獎(jiǎng)成果高錕獲獎(jiǎng)成果n諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)主席約瑟夫諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)主席約瑟夫努努德格倫用一根德格倫用一根光纖電纜光纖電纜形象地解釋了高錕的形象地解釋了高錕的重要成就：重要成就：n早在早在1966年，高錕就取得了光纖物理學(xué)上的年，高錕就取得了光纖物理學(xué)上的突破性成果

11、，他計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維突破性成果，他計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終促使光纖中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終促使光纖通信系統(tǒng)問世，而正是光纖通信為當(dāng)今互聯(lián)通信系統(tǒng)問世，而正是光纖通信為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。 23高錕獲獎(jiǎng)成果高錕獲獎(jiǎng)成果n光纖電纜，是本世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。光纖電纜，是本世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。n光纖電纜以玻璃作介質(zhì)代替銅等金屬材料，使一根光纖電纜以玻璃作介質(zhì)代替銅等金屬材料，使一根頭發(fā)般細(xì)小的光纖傳輸?shù)男畔⒘肯嗟扔谝粋€(gè)桌子腿頭發(fā)般細(xì)小的光纖傳輸?shù)男畔⒘肯嗟扔谝粋€(gè)桌子腿般粗大的銅般粗大的銅“線線”。n它徹底改變了人類通訊的模式，

12、為目前的信息高速它徹底改變了人類通訊的模式，為目前的信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，使公路奠定了基礎(chǔ)，使“用一條電話線傳送一套電影用一條電話線傳送一套電影”的幻想成為現(xiàn)實(shí)。的幻想成為現(xiàn)實(shí)。n發(fā)明光纖電纜的，就是被譽(yù)為發(fā)明光纖電纜的，就是被譽(yù)為“光纖之父光纖之父”的華人的華人科學(xué)家高錕。科學(xué)家高錕。24獲獎(jiǎng)歷程獲獎(jiǎng)歷程為人類連通信息時(shí)代為人類連通信息時(shí)代n40多年前，電腦普及率還不高，電話也多靠銅線連接，人多年前，電腦普及率還不高，電話也多靠銅線連接，人們想要知道太平洋那邊發(fā)生的事情，還有不少們想要知道太平洋那邊發(fā)生的事情，還有不少“時(shí)間差時(shí)間差”。n那時(shí)，年僅那時(shí)，年僅33歲的高錕在英國標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室

13、當(dāng)工程師，歲的高錕在英國標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室當(dāng)工程師，已提出已提出“光通訊光通訊”基礎(chǔ)理論。基礎(chǔ)理論。n他自信地宣稱，他自信地宣稱，“將來全世界都會(huì)用光纖將來全世界都會(huì)用光纖”，外界對(duì)此半，外界對(duì)此半信半疑。信半疑。n40多年后，遍布世界、總長度已超過多年后，遍布世界、總長度已超過10億公里、足以環(huán)億公里、足以環(huán)繞地球赤道繞地球赤道2.5萬次的光纜，成為互聯(lián)網(wǎng)大容量、高速度萬次的光纜，成為互聯(lián)網(wǎng)大容量、高速度進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞的基礎(chǔ)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞的基礎(chǔ)，“大洋那邊大洋那邊”的情況得以即的情況得以即時(shí)生動(dòng)地呈現(xiàn)眼前，世界因此拉近距離，高錕的預(yù)言已成時(shí)生動(dòng)地呈現(xiàn)眼前，世界因此拉近距離，高錕的預(yù)言已

14、成為現(xiàn)實(shí)。為現(xiàn)實(shí)。25獲獎(jiǎng)歷程獲獎(jiǎng)歷程為人類連通信息時(shí)代為人類連通信息時(shí)代n1966年，高錕發(fā)表了一篇題為年，高錕發(fā)表了一篇題為光頻率介質(zhì)纖光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)維表面波導(dǎo)的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長程及高信息量通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。n簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。息。n在當(dāng)時(shí)幾乎無人相信世界上會(huì)存

15、在無雜質(zhì)的玻璃，在當(dāng)時(shí)幾乎無人相信世界上會(huì)存在無雜質(zhì)的玻璃，而行為及思想常常出人意料的高錕卻堅(jiān)信自己的而行為及思想常常出人意料的高錕卻堅(jiān)信自己的理論，他像傳道一樣到處推銷他的信念，曾遠(yuǎn)赴理論，他像傳道一樣到處推銷他的信念，曾遠(yuǎn)赴日本、德國甚至美國大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室。日本、德國甚至美國大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室。26獲獎(jiǎng)歷程獲獎(jiǎng)歷程為人類連通信息時(shí)代為人類連通信息時(shí)代n1981年，經(jīng)過他的不懈努力，第一個(gè)光纖系統(tǒng)終于年，經(jīng)過他的不懈努力，第一個(gè)光纖系統(tǒng)終于面世。面世。n從此，比人的頭發(fā)還要纖細(xì)的光纖取代了體積龐大從此，比人的頭發(fā)還要纖細(xì)的光纖取代了體積龐大的千百萬條銅線，成為傳送容量接近無限的信息傳

16、的千百萬條銅線，成為傳送容量接近無限的信息傳輸管道，徹底改變了人類的通訊模式。輸管道，徹底改變了人類的通訊模式。n“當(dāng)時(shí)您也沒有估計(jì)到自己的發(fā)明會(huì)促成互聯(lián)網(wǎng)的當(dāng)時(shí)您也沒有估計(jì)到自己的發(fā)明會(huì)促成互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)運(yùn)而生，而且這項(xiàng)驚世發(fā)明并沒有給您的一生帶應(yīng)運(yùn)而生，而且這項(xiàng)驚世發(fā)明并沒有給您的一生帶來巨大財(cái)富。來巨大財(cái)富。”n“是的，因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明的專利權(quán)屬于是的，因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明的專利權(quán)屬于ITT。我不敢。我不敢說自己的發(fā)明有多偉大，只能說對(duì)資訊的傳輸產(chǎn)生說自己的發(fā)明有多偉大，只能說對(duì)資訊的傳輸產(chǎn)生了相當(dāng)大的革命。了相當(dāng)大的革命。”高錕謙和地說。高錕謙和地說。27獲獎(jiǎng)歷程獲獎(jiǎng)歷程為人類連通信息時(shí)代為人類連通信

17、息時(shí)代n今天，光纖已構(gòu)成了支撐我們信息社會(huì)的環(huán)路今天，光纖已構(gòu)成了支撐我們信息社會(huì)的環(huán)路系統(tǒng)。系統(tǒng)。n這種低損耗性的玻璃纖維推動(dòng)了諸如互聯(lián)網(wǎng)等這種低損耗性的玻璃纖維推動(dòng)了諸如互聯(lián)網(wǎng)等全球?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)的發(fā)展。全球?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)的發(fā)展。n諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)這樣描述說：諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)這樣描述說：“光流動(dòng)在細(xì)小光流動(dòng)在細(xì)小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個(gè)方向，文本、音樂、圖片和向每一個(gè)方向，文本、音樂、圖片和視頻視頻因此因此能在瞬間傳遍全球。能在瞬間傳遍全球。”28超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料水銀在水銀在4.2K時(shí)電阻消失時(shí)電阻消失29超導(dǎo)現(xiàn)象的解釋之一：超導(dǎo)現(xiàn)象

18、的解釋之一：n由于超導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的電子不同于通常由于超導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的電子不同于通常的電子導(dǎo)電的單個(gè)電子，而是的電子導(dǎo)電的單個(gè)電子，而是的。的。n它們形成弱的兩個(gè)具有相反旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的它們形成弱的兩個(gè)具有相反旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的電電子結(jié)成一對(duì)子結(jié)成一對(duì)，互相牽制，它們不容易被晶，互相牽制，它們不容易被晶格散射即電流不受晶格的阻礙，這種有規(guī)格散射即電流不受晶格的阻礙，這種有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的電子可以毫無阻力地流過導(dǎo)體。律運(yùn)動(dòng)的電子可以毫無阻力地流過導(dǎo)體。 30實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)持續(xù)電流實(shí)驗(yàn)：持續(xù)電流實(shí)驗(yàn)：n有人將一個(gè)超導(dǎo)體做成的園環(huán)置于有人將一個(gè)超導(dǎo)體做成的園環(huán)置于磁場(chǎng)磁場(chǎng)中，中，然后降溫至轉(zhuǎn)變溫度然后降溫至轉(zhuǎn)變溫度

19、Tc，再將磁場(chǎng)突然撤掉。再將磁場(chǎng)突然撤掉。n由于電磁感應(yīng)作用，在超導(dǎo)園環(huán)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一由于電磁感應(yīng)作用，在超導(dǎo)園環(huán)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)感應(yīng)電流感應(yīng)電流。如果這個(gè)園環(huán)確實(shí)為零，這個(gè)。如果這個(gè)園環(huán)確實(shí)為零，這個(gè)電流就應(yīng)當(dāng)沒有任何損耗地一直維持下去。電流就應(yīng)當(dāng)沒有任何損耗地一直維持下去。n實(shí)驗(yàn)證實(shí)確實(shí)如此，因此實(shí)驗(yàn)證實(shí)確實(shí)如此，因此零電阻零電阻現(xiàn)象被正式現(xiàn)象被正式肯定。肯定。31超導(dǎo)體超導(dǎo)體n某些物質(zhì)在相當(dāng)?shù)偷牡蜏叵拢瑫?huì)出現(xiàn)下某些物質(zhì)在相當(dāng)?shù)偷牡蜏叵拢瑫?huì)出現(xiàn)下面兩種特性：面兩種特性： 1. 1. 電阻為零電阻為零 2. 2. 反磁性反磁性而具有這兩種特性的物質(zhì)就是超導(dǎo)體，而具有這兩種特性的物質(zhì)就是超導(dǎo)體，超導(dǎo)

20、狀態(tài)改變的溫度稱為超導(dǎo)狀態(tài)改變的溫度稱為臨界溫度臨界溫度Tc(CriticalTc(Critical Temperature) Temperature)。n在臨界溫度以上，物質(zhì)將不再具有超導(dǎo)在臨界溫度以上，物質(zhì)將不再具有超導(dǎo)特性。特性。32超導(dǎo)體的反磁性超導(dǎo)體的反磁性33液氮溫度下超導(dǎo)磁懸浮體液氮溫度下超導(dǎo)磁懸浮體3435 n著名物理學(xué)家，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者理查德著名物理學(xué)家，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)費(fèi)曼在曼在19591959年曾預(yù)言年曾預(yù)言“如果有一天可以按人的意如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？”n今天這個(gè)美好的夢(mèng)想已經(jīng)成為

21、現(xiàn)實(shí)，今天這個(gè)美好的夢(mèng)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，19891989年，年，美國商用機(jī)器公司（美國商用機(jī)器公司（IBMIBM）的科學(xué)家利用掃描遂的科學(xué)家利用掃描遂道顯微鏡（道顯微鏡（STMSTM）上的探針移動(dòng)上的探針移動(dòng)，成功地，成功地在（鎳）板上按自己的意志安排原子，組合成在（鎳）板上按自己的意志安排原子，組合成“IBM”IBM”字樣；字樣；n日本科學(xué)家已成功地將硅原子堆成一個(gè)日本科學(xué)家已成功地將硅原子堆成一個(gè)“金字金字塔塔”，金字塔的底面為，金字塔的底面為363648=172848=1728平方納米，平方納米，共有共有3030層原子組成。層原子組成。 3637n 38n納米材料又稱為超微顆粒材料，是指固

22、納米材料又稱為超微顆粒材料，是指固體顆粒小到納米（體顆粒小到納米（1 1nmnm1010-9-9m)m)尺度的超尺度的超微粒子。微粒子。n一般把粒徑在一般把粒徑在1 1100100nmnm之間的微粒稱為之間的微粒稱為納米粒子納米粒子。n納米粒子處在原子簇（微觀）和宏觀物納米粒子處在原子簇（微觀）和宏觀物體交界的過渡區(qū)域（稱為介觀系統(tǒng)）。體交界的過渡區(qū)域（稱為介觀系統(tǒng)）。39n特點(diǎn)：特點(diǎn)：顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大。并具有表面原子所占比例大。并具有表面效應(yīng)、小表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。n性質(zhì)：性質(zhì)

23、：具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)性質(zhì)。的物理、化學(xué)性質(zhì)。 如：如：納米金的熔點(diǎn)為納米金的熔點(diǎn)為330C（）；）； 納米銀的熔點(diǎn)為納米銀的熔點(diǎn)為100C（ ）40 1985年英國薩塞克斯大學(xué)年英國薩塞克斯大學(xué)(University of Sussex)的波的波譜學(xué)家譜學(xué)家H.W.Kroto與美國萊斯大與美國萊斯大 學(xué)學(xué)(Rice University) 兩名教授兩名教授R.E.Smalley和和R.F.Curl合作研究，發(fā)現(xiàn)碳合作研究，發(fā)現(xiàn)碳元素可以形成由元素可以形成由60個(gè)或個(gè)或70個(gè)個(gè) 碳原子構(gòu)成的有籠狀結(jié)碳原子構(gòu)成的有籠狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)的C60和和C

24、70分子，這一發(fā)現(xiàn)引起分子，這一發(fā)現(xiàn)引起 科學(xué)界特別是物科學(xué)界特別是物理學(xué)和化學(xué)界的強(qiáng)烈反響，成為本世紀(jì)后半葉的重理學(xué)和化學(xué)界的強(qiáng)烈反響，成為本世紀(jì)后半葉的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。 11年后，年后，1996年三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)年三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)C60并提出其分并提出其分子結(jié)構(gòu)模型而榮獲子結(jié)構(gòu)模型而榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。41 42nKrotoKroto是英國薩塞克斯大學(xué)的波譜學(xué)家，而是英國薩塞克斯大學(xué)的波譜學(xué)家，而SmalleySmalley和和CurlCurl都是美國萊斯大學(xué)的教授。都是美國萊斯大學(xué)的教授。n19841984年春天，年春天，KrotoKroto

25、和和CurlCurl參加了在美國德參加了在美國德克薩斯州奧斯汀舉行的分子結(jié)構(gòu)會(huì)議。會(huì)議克薩斯州奧斯汀舉行的分子結(jié)構(gòu)會(huì)議。會(huì)議期間，期間， CurlCurl向向KrotoKroto介紹了介紹了SmalleySmalley和他的和他的學(xué)生共同設(shè)計(jì)的學(xué)生共同設(shè)計(jì)的。nKrotoKroto對(duì)這套裝置十分感興趣，想利用它開對(duì)這套裝置十分感興趣，想利用它開展一些工作。三位科學(xué)家之間的合作就這樣展一些工作。三位科學(xué)家之間的合作就這樣偶然開始了偶然開始了。43n19851985年年9 9月初，月初，KrotoKroto在在SmalleySmalley的兩名研究的兩名研究生的幫助下，開始了關(guān)于生的幫助下，開始了

26、關(guān)于富碳蒸氣中碳鏈形富碳蒸氣中碳鏈形成成的可能性的研究。的可能性的研究。n他們?cè)诙栊詺怏w環(huán)境下，用高功率的他們?cè)诙栊詺怏w環(huán)境下，用高功率的激光照激光照射石墨表面射石墨表面，照射釋放出來的由碳原子構(gòu)成，照射釋放出來的由碳原子構(gòu)成的碎片等離子體被氦氣流攜帶通過末端為一的碎片等離子體被氦氣流攜帶通過末端為一噴嘴的杯形集結(jié)區(qū)，進(jìn)入一真空室。噴嘴的杯形集結(jié)區(qū)，進(jìn)入一真空室。44n在杯形集結(jié)區(qū)內(nèi)，碎片離子在杯形集結(jié)區(qū)內(nèi)，碎片離子 經(jīng)氣相的熱碰經(jīng)氣相的熱碰撞反應(yīng)成為新的撞反應(yīng)成為新的碳原子簇碳原子簇。n這些新生成的碳原子簇隨氦氣進(jìn)入這些新生成的碳原子簇隨氦氣進(jìn)入真空室真空室，并在那里由于氣并在那里由于氣 體

27、的膨脹而被迅速冷卻下體的膨脹而被迅速冷卻下來。來。n隨后，所有產(chǎn)物進(jìn)入一個(gè)與上述實(shí)驗(yàn)裝置相隨后，所有產(chǎn)物進(jìn)入一個(gè)與上述實(shí)驗(yàn)裝置相連接的連接的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。n在質(zhì)譜儀上，所形成的含有不同碳原子個(gè)數(shù)在質(zhì)譜儀上，所形成的含有不同碳原子個(gè)數(shù)的的原子簇及其豐度原子簇及其豐度可以被檢測(cè)出來。可以被檢測(cè)出來。45n9 9月月4 4日，令人意想不到日，令人意想不到 的事情發(fā)生了。的事情發(fā)生了。n研究小組在質(zhì)譜儀上觀察到質(zhì)量較大的碳原研究小組在質(zhì)譜儀上觀察到質(zhì)量較大的碳原子簇所含的碳原子個(gè)數(shù)均是偶數(shù)，其中分子子簇所含的碳原子個(gè)數(shù)均是偶數(shù)，其中分子質(zhì)量數(shù)落在質(zhì)量數(shù)落在720720處的質(zhì)譜峰信號(hào)最強(qiáng)

28、，它恰處的質(zhì)譜峰信號(hào)最強(qiáng)，它恰好對(duì)應(yīng)一個(gè)由好對(duì)應(yīng)一個(gè)由6060個(gè)碳原子個(gè)碳原子組成的分子。組成的分子。n另外一個(gè)相當(dāng)于另外一個(gè)相當(dāng)于 C C7070分子的質(zhì)譜峰清晰地出分子的質(zhì)譜峰清晰地出現(xiàn)在分子質(zhì)量數(shù)現(xiàn)在分子質(zhì)量數(shù)840840處。處。4647nKrotoKroto聯(lián)想起聯(lián)想起19671967年加拿大蒙特利爾萬國博年加拿大蒙特利爾萬國博 覽覽會(huì)中美國展覽館是由會(huì)中美國展覽館是由五邊形和六邊形五邊形和六邊形拼接構(gòu)成拼接構(gòu)成的短程線圓頂建筑。的短程線圓頂建筑。nKrotoKroto將這一想法告訴小組其他成員。將這一想法告訴小組其他成員。SmalleySmalley經(jīng)過嘗試，終于用經(jīng)過嘗試，終于用2

29、020個(gè)正六邊形和個(gè)正六邊形和1212個(gè)正五邊個(gè)正五邊形拼成一個(gè)形拼成一個(gè)6060個(gè)頂點(diǎn)的個(gè)頂點(diǎn)的C C6060分子結(jié)構(gòu)模型。分子結(jié)構(gòu)模型。nC C6060分子就以短程線圈頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者分子就以短程線圈頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者( (Buckminster Fuller)Buckminster Fuller)的名字命名，的名字命名，稱為稱為BuckminsterfullereneBuckminsterfullerene簡稱富勒烯簡稱富勒烯( (Fullerene)Fullerene)。4849505152 Carbon Nanotube structure of a multi-walled nanotu

30、be carbon nanotube with metal-semiconductor junction 5354超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。金屬、水泥、塑料、纖維等諸金屬、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)良載材料，并可作為多類反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。體。可利用它對(duì)波的吸收、折射率可利用它對(duì)波的吸收、折射率高的特點(diǎn)，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛高的特點(diǎn)，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機(jī)和超音速飛機(jī)。機(jī)和超音速飛機(jī)。利用其良好

31、的熱學(xué)性能，添加利用其良好的熱學(xué)性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。 5556 這種溫度計(jì)測(cè)這種溫度計(jì)測(cè)量范圍從量范圍從1818490490攝氏度，能精確攝氏度，能精確到到0.250.25攝氏度。攝氏度。可用于檢查電子可用于檢查電子線路是否正常，線路是否正常，測(cè)定毛細(xì)血管的測(cè)定毛細(xì)血管的溫度等諸多方面。溫度等諸多方面。57 58n目前計(jì)算機(jī)使用的硅芯片已經(jīng)到達(dá)其物理極限，目前計(jì)算機(jī)使用的硅芯片已經(jīng)到達(dá)其物理極限，體積無法太小，通電和斷電的頻率無法再提高，體積無法太小，通電和斷電的頻率無法再提高，耗電量也無法再減少。耗電量也無法再減少。n 科

32、學(xué)家認(rèn)為，解決這個(gè)問題的途徑是研制科學(xué)家認(rèn)為，解決這個(gè)問題的途徑是研制“納米納米晶體管晶體管”，并用這種納米晶體管來制作并用這種納米晶體管來制作“納米計(jì)納米計(jì)算機(jī)算機(jī)”。n他們估計(jì)他們估計(jì)，而且耗費(fèi)的能量也要減少，而且耗費(fèi)的能量也要減少很多。這項(xiàng)研究的成功朝著制作超快速納米計(jì)算很多。這項(xiàng)研究的成功朝著制作超快速納米計(jì)算機(jī)的方向前進(jìn)了一步機(jī)的方向前進(jìn)了一步。 5960 61CH2CHClnCH2CHClCH2CHCl單體鏈節(jié)鏈節(jié)nCH2CHCln聚合物縮寫：聚合度62線型線型線型（有支鏈）線型（有支鏈）體型體型（1）具有）具有“”: 高分子化合物相對(duì)分高分子化合物相對(duì)分子子 質(zhì)量大小不等的現(xiàn)象質(zhì)

33、量大小不等的現(xiàn)象63 （4 4）從物理性質(zhì)看，高分子化合物在常溫常壓下）從物理性質(zhì)看，高分子化合物在常溫常壓下主要以固態(tài)或液態(tài)存在，幾乎無揮發(fā)性，主要以固態(tài)或液態(tài)存在，幾乎無揮發(fā)性，也很差，有時(shí)只發(fā)生也很差，有時(shí)只發(fā)生。64CH2CHClCH2CHCH3CH2CHCNNHO65HOOC(CH2)4COOHNH2(CH2)6NH2COOHHOOCHOCH2CH2OHCHCH2CH2CCOOCH3CH3CHCH2CH2CHCNCH2CHCHCH266高分子化合物的基本結(jié)構(gòu)高分子化合物的基本結(jié)構(gòu)6768692000年年Alan J. Heeger (USA)(1936- )Alan G. MacDi

34、armid(USA) (1927 - )Hideki Shirakawa(Japan) (1936- )70艾倫艾倫黑格黑格717273 CH2CHCln74（塑料薄膜塑料薄膜）CH2CH2n75性能：性能：具有韌性、耐磨、具有韌性、耐磨、耐熱，具有吸濕耐熱，具有吸濕性、無毒、接伸性、無毒、接伸強(qiáng)度大強(qiáng)度大NN(CH2)xC-(CH2)y-CnOOHH尼龍結(jié)構(gòu)式：76（4 4）聚四氟乙烯（塑料王）聚四氟乙烯（塑料王）CF2CF2n結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式:77OHCH2OHOHCH2n結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式:78COOCCH3CH3On結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式:79OCCH3CH3OSOOn結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式:性能：性能：變硬度、高

35、抗沖強(qiáng)度、抗蠕變性好，耐熱、耐寒、耐磨、抗變硬度、高抗沖強(qiáng)度、抗蠕變性好，耐熱、耐寒、耐磨、抗氧化性好，尺寸穩(wěn)定性好。氧化性好，尺寸穩(wěn)定性好。用途：用途：制造機(jī)械、電子、電氣制造航空、航天等部門的零部件。制造機(jī)械、電子、電氣制造航空、航天等部門的零部件。80CH2CHCNCH2CH2CH=CHxyCH2CHz81CH2CH3CCOOCH3nCH2CH3CCOOCH3n82(1)順丁橡膠順丁橡膠8384858687CH3Si OCH3n88899091OCCOCH2CH2OO92939495nH2N (CH2)6NH2+n HOOC-(CH2)4-COOHNN(CH2)6C-(CH2)4-Cn+nH2OOOHH己二胺己二酸尼龍969798n在一般情況下，它的分子結(jié)構(gòu)，排列得整齊在一般情況下，它的分子結(jié)構(gòu)，排列得整齊有序，非常透明。有序，非常透明。n可是，加上可是，加上直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)之后，分子那整齊的隊(duì)之后，分子那整齊的隊(duì)伍被外加的電場(chǎng)擾亂了，使透射光或反射光伍被外加的電場(chǎng)擾亂了，使透射光或反射光的強(qiáng)度和方向發(fā)生變化，液晶變得不透明了，的強(qiáng)度和方向發(fā)生變化，液晶變得不透明了，這叫這叫“”。