纳米功能材料及应用

•教学内容及要求第一章绪论第二章纳米微粒的基本性质第三章纳米微粒的结构及物理化学特性第四章纳米微粒的制备方法第五章纳米功能材料的制备第六章纳米功能材料在航天航空工业中的应用第七章纳米功能材料在能源、化工、环保中的应用第八章纳米功能材料在机、电中的应用第九章纳米功能材料在信息、通讯中的应用第十章纳米功能材料在生物、医学中的应用纳米功能材料及应用p.2•课程性质、目的和任务性质：前沿性材料科学目的：拓宽知识面、增强创新能力任务：让学生了解纳米功能材料及其工程应用什么是纳米？什么是纳米科技？为什么人们对纳米及纳米科学如此看重？研究纳米的基本方法是什么？什么是纳米材料？1.绪论—奇妙的纳米科技与纳米材料10-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101mnmummmcm肉眼可识别光学显微镜电子显微镜原子核纳米领域C60球蚂蚁什么是纳米？纳米首先是一个尺度概念纳米（Nano-meter）希腊语“侏儒”数学尺度1nm=10-9m=10埃。头发直径：50-100m,1nm相当于头发的1/50000。氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。氢原子什么是纳米？p.51.概述181015101210910610310010210310610910121015101810181015101210910610310010210310610910121015101810181015101210910610310010210310610910121015101810跳蚤头发红细胞病毒DNA单壁纳米碳管Pt/TiO2颗粒p.618101510121091061031001021031061091012101510181018101510121091061031001021031061091012101510181018101510121091061031001021031061091012101510181010cm1cmp.7181015101210910610310010210310610910121015101810181015101210910610310010210310610910121015101810181015101210910610310010210310610910121015101810100μm10μmp.81810151012109106103100102103106109101210151018101810151012109106103100102103106109101210151018101810151012109106103100102103106109101210151018101μm100nmp.918101510121091061031001021031061091012101510181018101510121091061031001021031061091012101510181018101510121091061031001021031061091012101510181010nm1nm1nm(原子尺度)---物理学~nm(分子尺度)---化学nm-0.1m----知识的鸿沟0.1m-100m(晶粒)----材料科学0.1mm(器件，肉眼)----机械制造、力学、航空航天??（望远镜）----天文学微观和宏观----一个相对概念处于微观和宏观之间的“介观”世界，带来一系列的“奇异性”、“突变”，导致纳米材料、纳米器件一系列新功能、新现象所谓“纳米科技”，就是在0.1-100纳米的尺度上，研究原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。纳米科技的主要研究内容:创造和制备优异性能的纳米材料制备各种纳米器件和装置探测和分析纳米区域的性质和现象什么是纳米科技？•人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶组成。•天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体粒子•蜜蜂的定向：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向。最近，英国科学家发现，蜜蜂利用罗盘来判明方向。纳米材料及纳米技术的自然存在•海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航•螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱•莲花效应—莲花出污泥而不染•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。•壁虎飞檐走壁•每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。•动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机器，就是人们熟知的蛋白质。•而细胞则可以说是由这些纳米机器在组装而成的微米机器。纳米纪事最早的纳米材料：中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡中国古代的墨及染料1857年，法拉第制备出金纳米颗粒1861年，胶体化学的建立1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究1985年，Kroto和Smalley等人发现C601990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程为什么人们对纳米及纳米科学如此看重？•中国古代利用蜡烛来燃烧收集碳黑作为墨的原料（中国古代字画历经千年而不褪色），是最早的纳米材料。•中国古代铜镜表面的防锈层经检验为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。•古代的宝剑等微晶化增强已经得到科学证实。欧冶子•但当时人们并不知道这其中的原因，不知道是纳米技术的作用，因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒。他们只知道这样的工艺所做的工件好。中国古代的“纳米技术”--无意识•人工制备纳米材料至少追溯到1000多年前。1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖得主费因曼Feynman，在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为：《底层大有可为》“There‘sPlentyofRoomattheBottom”的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激情地说：“当我们深入并游荡在原子的周围，我们是在按不同的定律活动，我们会遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹？！”他我们描述了一副激动人心的画面：通过人为地操纵单个原子，来构造我们需要的特定功能的物质如同用原子来搭积木！现代纳米科技的启蒙—“底层大有可为”•由于光波长及其相干性，其极限分辨率~0.1m,用光学显微镜是看不到纳米尺寸的物体的。•1932年，德国的Ruska发明了世界上第一台透射电子显微镜，为探索微观物质世界打下了基础。1986年诺贝尔物理奖•到1998年，透射电子显微镜的分辨率已达到0.13nm。但是透射电子显微镜只能看，不能搬动原子。纳米科技的技术依托—电子显微镜分辨率0.2nm•1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM），获1986诺贝尔物理奖。•目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01nm。扫描隧道电子显微镜—对原子的操控•1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler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。•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。•在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm,人们称它为“一氧化碳小人”。•来自同一实验室的科学家又用48个铁原子排列在铜表面上组成了汉字“原子”两字。汉字的大小只有几个纳米。用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。•1991年，日本日立研究室实验了在室温下用STM移去二硫化钼晶体表面上的一些原子，进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“Peace91”的字样，其每个字母的尺寸均小于1.5纳米。•1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2nm）硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米白春礼院士1988年4月12日，中国第一台计算机控制的STM研制成功。•这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。p.311984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd,Fe,Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。p.32C60等富勒烯（Fullerence）采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C60。RobertF.CurlJr.p.33富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。其中C60是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成，具有30个双键(C=C)的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也称为「足球烯」。1996年诺贝尔奖。p.34富勒烯就像磁铁一样，具有吸附自由基的特性，能够扮演「自由基清道夫」的角色，可以降低人体因为新陈代谢、外在环境影响所产生的自由基。目前富勒烯的运用范围极为广泛，除了抗老化保养之外，在工业半导体、重大疾病的防治上，也受到极大的重视。FullerenceC80为富勒烯的衍生物，其高稳定、抗自由基、抗氧化、细胞启动重组功效及医学防癌领域中的应用被广泛关注。p.35纳米多层膜系统巨磁电阻效应1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁电阻效应（GiantMagneto-Resistive，GMR）。就在3年前，德国格林贝格尔教授在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。p.36阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而获得2007年诺贝尔物理学奖。----硬磁盘的数据读出头（ReadHead）：体积小而灵敏----计算机硬盘存储密度提高50倍1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了当时的世界记录。硬盘的容量从4