纳米材料及其应用

22第第11章章绪论绪论1.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学1.21.2纳米材料及其分类纳米材料及其分类1.31.3纳米材料特性纳米材料特性1.41.4纳米材料的结构纳米材料的结构1.51.5纳米材料的发展概况及展望纳米材料的发展概况及展望331.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学1.1.纳米的概念：纳米（纳米的概念：纳米（nanometernanometer）是一个长度单位，）是一个长度单位，11纳米纳米(nm)(nm)=10=10--33微米微米((μμmm)=10)=10--99米（米（mm）。）。lnmlnm的长度约相当于的长度约相当于3~53~5个原个原子紧密地排列在一起所具有的长度。子紧密地排列在一起所具有的长度。44551.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学2.2.纳米技术：是指在纳米技术：是指在0.l0.l--100nm100nm尺度上尺度上操纵和研究操纵和研究原子、分子，原子、分子，对材料进行对材料进行加工加工、制造具有、制造具有特定功能特定功能的产品、或对物质进行研的产品、或对物质进行研究、掌握其原子和分子的运动规律和特征的高新技术。它是基究、掌握其原子和分子的运动规律和特征的高新技术。它是基础科学（现代物理、化学、分子生物学）和先进工程技术（计础科学（现代物理、化学、分子生物学）和先进工程技术（计算机、微电子等）相结合的产物。纳米原本是长度单位，随着算机、微电子等）相结合的产物。纳米原本是长度单位，随着科学技术的发展却完全具有更深层次的涵义，它不仅意味着空科学技术的发展却完全具有更深层次的涵义，它不仅意味着空间尺度，而且提供了间尺度，而且提供了崭新的思维方式崭新的思维方式：即人类将利用越来越：即人类将利用越来越小、越来越精确的物质和越来越精细的技术生产成品来满足更小、越来越精确的物质和越来越精细的技术生产成品来满足更高层次的要求。高层次的要求。661.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学2.2.纳米技术（纳米技术（NNINNI的定义）：的定义）：WhilemanydefinitionsforWhilemanydefinitionsfornanotechnologyexist,theNNIcallsitnanotechnologyexist,theNNIcallsitnanotechnologyonlyifitinvolvesallofthefollowing:nanotechnologyonlyifitinvolvesallofthefollowing:①①Researchandtechnologydevelopmentattheatomic,Researchandtechnologydevelopmentattheatomic,molecularormolecularormacromolecularlevelsmacromolecularlevels,inthelengthscale,inthelengthscaleofapproximatelyofapproximately11--100nanometerrange100nanometerrange..②②Creatingandusingstructures,devicesandsystemsCreatingandusingstructures,devicesandsystemsthathavethathavenovelpropertiesandfunctionsnovelpropertiesandfunctionsbecauseofbecauseoftheirsmalland/orintermediatesize.theirsmalland/orintermediatesize.③③AbilitytoAbilitytocontrolormanipulatecontrolormanipulateontheatomicscale.ontheatomicscale.771.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学3.3.纳米技术的发展状况：纳米技术的发展状况：纳纳米米技技术术纳米材料技术纳米材料技术纳米器件技术纳米器件技术纳米系统技术纳米系统技术纳米生物技术纳米生物技术纳米材料纳米材料纳米器件纳米器件纳米系统纳米系统纳米药物纳米药物技术技术成熟度成熟度技术难度991.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学4.4.纳米技术研究的重要性：纳米技术研究的重要性：A.IntellectualdriveA.IntellectualdrivezzBettercomprehensionofnature,lifeBettercomprehensionofnature,lifezzNovelproperties/phenomena/processNovelproperties/phenomena/process：：NewstructureNewstructureandfunctions;Engineeringbeyondnatureandfunctions;EngineeringbeyondnaturezzUnityandgeneralityUnityandgenerality：：AtthebuildingblocksofallAtthebuildingblocksofallnatural/artificialthings,systemsnatural/artificialthings,systemszzMostefficientlengthscaleformanufacturingMostefficientlengthscaleformanufacturing：：LessLessenergythanforsubatomicormacroscopicenergythanforsubatomicormacroscopiczzTranscendenteffects:attheconfluenceofsteamsTranscendenteffects:attheconfluenceofsteams：：S&T;S&T;Living/nonLiving/non--living;interdisciplinary;Relevanceareas.living;interdisciplinary;Relevanceareas.10101.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学4.4.纳米科技研究的重要性：纳米科技研究的重要性：B.PromiseofnanotechnologyB.Promiseofnanotechnology：：$1trillion/yin10$1trillion/yin10--15years15yearszzMaterialsbeyondwhatchemistrycando:$340B/yMaterialsbeyondwhatchemistrycando:$340B/yin10yearsformaterialsandprocessing,(estimationin10yearsformaterialsandprocessing,(estimationbyindustrygroup)byindustrygroup)zzElectronnicsElectronnicsin10in10--15years:$300B/Yfor15years:$300B/Yforsemiconductorindustry,timesmoreforglobalsemiconductorindustry,timesmoreforglobalintegratedintegratedcircutscircuts(estimationbySIA)(estimationbySIA)zzPharmaceuticsin10Pharmaceuticsin10--15yearsabouthalfof15yearsabouthalfofproductionwilldependonnanotechnology,affectingproductionwilldependonnanotechnology,affectingabout$180B/Yabout$180B/Y11111.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学4.4.纳米科技研究的重要性：纳米科技研究的重要性：B.PromiseofnanotechnologyB.PromiseofnanotechnologyzzChemicalplantsChemicalplantsin10in10--15years:15years:nanostructurednanostructuredcatalystsinpetroleumandchemicalprocessingaboutcatalystsinpetroleumandchemicalprocessingabout$100B/Y$100B/YzzAerospaceAerospace:about$70B/Yin10years:about$70B/Yin10yearszzToolsTools(measurement,simulation)(measurement,simulation)：：$22B/Yin10y$22B/Yin10yzzextendlifeextendlife--spanspan,itsquality,humanphysical,itsquality,humanphysicalcapabilities(capabilities(--$31Bintoolsforhealthcarein10$31Bintoolsforhealthcarein10years)years)zzSustainabilitySustainability:agriculture,water,energy(:agriculture,water,energy(--45B/yin45B/yin10years)materials,environment,exitinglighting10years)materials,environment,exitinglightingenergyreductionenergyreduction––10%or$100B/Y10%or$100B/Y12121.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学5.5.纳米科技的领域：纳米科技的领域：①①纳米物理学；纳米物理学；②②纳米化学；纳米化学；③③纳米材料学纳米材料学；；④④纳米生物学；纳米生物学；⑤⑤纳米电子学；纳米电子学；⑥⑥纳米加工学；纳米加工学；⑦⑦纳米力学；纳米力学；⑧⑧纳米机电系统纳米机电系统13131.11.1纳米科技与纳米材料科学纳米科技与纳米材料科学6.6.纳米材料学：纳米材料学：纳米材料纳米材料是指在材料三维空间中至少是指在材料三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。成的材料。纳米材料学纳米材料学是研究纳米材料成分、结构是研究纳米材料成分、结构与性能之间的关系，研究纳米材料的制备、表征、与性能之间的关系，研究纳米材料的制备、表征、检测和应用的新兴学科，是纳米科技的一个重要分检测和应用的新兴学科，是纳米科技的一个重要分支，也是一门多学科交叉、基础研究和应用研究紧支，也是一门多学科交叉、基础研究和应用研究紧密联系的高新技术。它以纳米物理学和纳米材料化密联系的高新技术。它以纳米物理学和纳米材料化学为基础，包括纳米材料科学和纳米材料工程学。学为基础，包括纳米材料科学和纳米材料工程学。14141.21.2纳米材料及其分类纳米材料及其分类1.2.11.2.1纳米材料与纳米结构纳米材料与纳米结构1.1.纳米材料的基本单元：基本单元（纳米材料的基本单元：基本单元（BuildingBlocksBuildingBlocks）可）可由原子团簇、纳米微粒