材料科学基础第四章

材料科学与工程基础主讲人：张红鹰4.8纳米材料及应用（TheCharacteristicsandApplicationofNanomaterials）•纳米概念•纳米科学技术•纳米材料•纳米材料的应用2020/1/19台州学院医药化工学院3化合物金属材料半导体和超导材料硅酸盐材料复合材料纳米材料高分子材料一、纳米概念纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-9m1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。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。纳米尺度的概念2020/1/19台州学院医药化工学院6跳蚤头发红细胞病毒从宏观世界到微观世界Pt/TiO2催化剂花粉是纳米级的粒子病毒也是纳米级的,３0-100nm.如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。用什么仪器去看纳米扫描隧道显微镜（英文名称是ScanningTunnelingMicroscope，简称为STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米二、纳米科学技术左图为单个Xe原子静置在Ni表面上的情景，右图为探针“拾”起该原子的情景。此图分别显示出相应的两个状态的STM图像原子操作过程的STM象纳米科技和纳米材料纳米科技是在0.1-100nm的空间内，研究物质组成体系的运动规律和相互作用，以及实际应用中技术问题的科学技术，被世界各国列为21世纪的关键技术之一。纳米材料是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料，其粒径为0.1-100nm，纳米物质有四大效应：即小尺寸效应、量子效应、表面效应、宏观量子隧道效应。纳米材料的特异性能•科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。•纳米黄金变为黑色，纳米铂（白金）变成铂黑;•纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm；•陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性（“摔不破的陶碗”）；•硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；•涂有纳米涂层的玻璃可以防雾（汽车车窗玻璃）。•1959年，费曼的预言这是关于纳米技术最早的梦想。•1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，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。•1984年，德国研制成功第一个金属纳米材料；•1987年，美国研制成功氧化钛纳米材料；•1990年，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，中国科学院真空物理实验室，首次操纵原子成功写出“中国”二字。标志着我国开始在国际纳米领域占有一席之地。•1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。•1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录•1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。纳米科技大事记纳米科学技术下图所示为超高真空中利用扫描隧道显微镜技术，在硅单晶体表面（111）面上移动Si原子而形成“中国”二字字样。图超高真空中,用STM技术，移动Si（111）面上的原子形成“中国”字样1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。1990年，美国加州的IBM研究室艾格勒等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。铁原子的移动过程摔不碎的纳米陶瓷强度比常规铜高5倍纳米铜纳米材料—特性荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。莲花叶子表面的自我洁净纳米线几种植物的叶子，包括荷花，展现出其自洁特性。这种所谓的“荷花效应”也叫作自清洁效应，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。科学家用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级的“疙瘩”。莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。这些“疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米x2微米图像显示一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米线是由化学汽相淀积处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。碳纳米管纤维纺织技术2004年11月19日美国《科学》周刊306卷用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图纳米材料应用华裔教授王中林在原子力显微镜的帮助下，美国佐治亚理工学院王中林小组利用竖直结构的氧化锌（ZnO）纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置——直立式纳米发电机。2006年图：(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室)世界上最小的发动机-纳米发动机2007年超声波驱动式直流纳米发电机：超声波带动的直流纳米发电机的设计原理和输出的直流电流。电流随超声波的激发而起，停止而息。利用约五百根纳米线可连续发出纳安级的电流。2008年交流纳米发电机的示意图以及当来回弯曲时所给出的交流输出电压：纳米布只要能动（跑步、走路、心跳）就能发电：肌肉活动所带动的纳米发电机纳米机器人进入人体消化系统工作示意图像胶囊一样的纳米机器人医生重庆纳米机器人“医生”重庆科研人员开发的这种名为“OMOM胶囊内镜系统”的纳米机器人。一种长得十分奇特的“重庆籍医生”目前在国际上名声大噪——该医生长得像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。它第二次被列入国家“863计划”，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于2004年获得“863计划”专家组验收该医生“腰围”11毫米，“身高”25.4毫米，长得完全像一颗胶囊。并于2004年获得“863计划”专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还没有治病的本事。纳米机器人纳米机器人的魅力之处在于：由于可以进行自我复制，只需在体内植入很少的量，便可达到治疗目的。然而，所谓的魅力与可怕的危险是同时存在的，纳米机器人能在10小时内复制680亿个，在身体“防御盾”不断被削弱的同时，人类成为生物和技术的合成体，也就是同时具备两种特征。在这种情况下，抵抗是徒劳的。生物医药技术生物医药技术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不用进行危险的开颅、开胸手术。-----中科院研究纳米机器人——“纳米微型军”“纳米蜘蛛”微型机器人“纳米黄蜂”仿生机器人“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。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。『间谍草』纳米手机纳米液体玻璃纳米防护纳米涂膜纺织物、地毯不沾水美国纳米技术制衣能变色又能充电