复旦材料科学导论课件第10章新材料

第十章新材料(有趣的材料：新材料)材料=物理+化学1.传统材料2.新材料1.纳米材料2.信息材料3.能源材料4.生物医用材料5.智能材料6.功能转换材料7.环境材料8.软材料新材料1.有趣的纳米材料有趣的纳米材料L1米＝1000毫米1毫米＝1000微米1微米＝1000纳米0.5纳米Si原子LL基本单元：L100纳米C60：Buckyball,巴基球1985年发现，碳元素的第三种晶体形态（金刚石、石墨）。Kroto,Curl,Smalley1996诺贝尔化学奖Nature318,162(1985)BuckminsterBall(1970-2002)RichardBuckminsterFuller(1895-1983)Expo1967(Montreal)名字：Buckyball?WhynotSmalleyball?昵称：Bucky1.爱因斯坦的昵称？2.BuckministerBall有几块皮？3.2010年FIFA使用的足球有几块皮？小问题CarbonNanotube:碳纳米管1991年,饭岛澄男(S.Iijima)发现。Nature354,56(1991)。制备一：电弧放电法4000度制备二：碳氢气体热解法800~1200度碳纳米管：超级纤维1.强度是钢的100倍2.重量是钢的1/6。3.长/直径1000。4.熔点是已知材料中最高的。5.电学性能独特。6.比C60更有用。导体，电导率通常可达铜的1万倍半导体Spaceelevators(天梯计划)小问题1.Iijima哪一年发现碳纳米管？2.Iijima哪一年获得诺贝尔奖？3.碳纳米管的缺点是什么？QuantumDots:硒化镉量子点在紫外光照射下,CdSe量子点会发出荧光。颜色由量子点大小决定。2nm3nm5.5nmHelmholtz共振器波+有限边界共振声音：高频低频电子可以被看成一种波。Schrödinger(1887-1961)，1932,NobelPrizedeBroglie(1892-1987)1929,NobelPrize电子的波动方程是：…量子点内的电子波小问题1.Broglie和Schrödinger分别是多少岁获得诺贝尔奖的？2.Broglie和Schrödinger获得诺贝尔奖时，毛泽东和朱德在干什么？stainedglass,13世纪,ReimsCathedralLycurgusCup(公元前4世纪)反射光为绿色，透射光为红色Colloidalgold（胶体金）金纳米颗粒在水中的悬浮液，古代用于玻璃染色。金是黄色的，胶体金为什么是红色的？MichaelFaraday1.以前的观点：玻璃掺金变成红色，可能是因为金锡合金引起的。2.1857年，Faraday首次制备出纯的胶体金样品，并且第一个意识到：红金是由于金颗粒的小尺寸引起的，不是金锡合金引起的。3.1898年，R.A.Zsigmondy首次得到胶体金的稀释液。4.Mie给出：光被球形颗粒散射和吸收的理论。小问题1.Faraday多少岁获得诺贝尔奖？Zsigmondy,1925年诺贝尔化学奖研究胶体金时，发明Ultramicroscope小问题1.Zsigmondy的一个贡献是解释cranberryglass的成色原理。什么是cranberry？2.信息材料大屏幕显示遥控器光电材料：电生光光电材料发光二极管LED++++−−−−PN结内的电子和空穴复合，从而发光。-+−−−−++++自由电荷固定电荷发光工作原理KarlF.Braun(1850-1918)1874rectifyingeffect1909NobelPrizeinPhysics二维阵列CCD(2.1Mpixel，210万像素)光电材料：光生电工作原理像素缓冲器放大器模数转换WillardS.Boyle(1924-)GeorgeE.Smith(1930-)2009年，两人和高锟荣获诺贝尔物理奖。3.能源材料光电材料：光生电太阳能电池的历史•1849年，photovoltaic(光-伏)出现在英语中。•1839年，光伏效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。•1883年，第一块太阳电池（硒上覆上一层薄的金，效率1%）由CharlesFritts制备成功。•1905年，Einstein解释光电效应，并因此获Nobel奖（1921年）。•1946年，RussellOhl申请了现代太阳能电池的制造专利。•1954年，美国的贝尔实验室（Chapin等人）利用硅的p-n结，得到高效的太阳能电池。−−−−++++++++−−−−+-耗尽层PN工作原理光4.生物医用材料镍钛合金牙箍：金属做的橡皮筋记忆合金血管支架镍钛合金本课题组的研究方向1.光子晶体(photoniccrystals)2.特异材料(metamaterials)3.声子晶体(soniccrystals)4.水波与周期结构的相互作用PhotonicCrystalsPeacockfeatherMetamaterials胡新华，中国上海复旦国外媒体报道：physorg,新科学家海洋波通常很强并且很难被完全抵挡住。当海洋中的波浪经过一个周期结构时，波浪只能被轻微地削弱，其大部分仍能顺利通过（特别是当波长比周期长度大很多时）。但是在一项最新的研究中，科学家们通过计算发现：一个由低频共振器排成的周期阵列能够完全阻挡波长很长的水波。这项结果来源于这种周期结构可以被等效成一种具有负重力的水。由重力作为回复力的机械波，在水的表面传播。什么是水波？普通风浪波：周期为1-25秒;海啸:周期为10分钟-2小时。水波研究爱里(G.B.Airy)1841年，线性水波理论牛顿(Newton),拉普拉斯(Laplace),拉格朗日(Lagrange),泊松(Poisson),柯西(Cauchy)，爱里(Airy)，拉姆(H.Lamb),梅强中(C.C.Mei)1.重力2.水深现有研究结果：长水波很难被普通周期阵列挡住。原因：普通的周期柱子阵列，等效重力0等效介质理论：对于长水波（波长周期长度），周期柱子阵列可以被看成是一种均匀流体，其描述参数为等效重力加速度和等效水深。有趣的周期结构侧视图俯视图海上机场（OffshoreAirport），下面为柱子阵列。我们的研究体系：共振器阵列开缝管阵列单个开缝管侧视图俯视图共振器(浮子)阵列是未来海浪能发电厂的核心部件。研究结果（一）频率（a/λ）反射率等效重力ge/g结果：共振器阵列能完全反射在共振频率附近的长水波。原因：在共振频率附近，共振器阵列具有负的等效重力。负重力强反射研究结果（二）结果：阻尼共振器阵列的吸收谱（两个吸收峰），与单个共振器的吸收谱（一个吸收峰）很不一样。该结果对设计未来的海浪能发电厂很重要。频率（a/λ）成果总结1.一个由低频共振器排成的周期阵列能够完全阻挡波长很长的水波。这项结果来源于这种周期结构可以被看成一种具有负等效重力的水。2.共振器阵列的吸收谱，与单个共振器的吸收谱很不一样。该结果对设计未来的海浪能发电厂很重要。