纳米材料概述PPT课件.ppt

第一节 概述第二节 纳米材料的结构与性能第三节 纳米材料的制备方法第四节 纳米材料与纳米技术的应用第五节 发展与展望 1 第一节概述 一 纳米科技的诞生二 纳米技术与纳米材料的概念三 纳米材料的分类四 纳米科技研究的重要性 2 一 纳米科技诞生 1959年 著名物理学家 诺贝尔奖获得者理查德 费曼在 在底部还有很大空间 的一次讲演中指出 从石器时代开始 人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关 而从物理学的规律来看 不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性 费曼憧憬说 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子 将会产生怎样的奇迹 他预言 人类可以用小的机器制作更小的机器 最后将变成根据人类意愿 逐个地排列原子 制造 产品 这是关于纳米技术最早的梦想 七十年代 科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想 费曼 纳米科技之父 原子排成的 原子 字样 3 纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末 90年代初 1982年 科学家发明研究纳米的重要工具 扫描隧道显微镜 使人类首次在大气和常温下看见原子 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 1990年7月 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 4 1993年 继1989年美国斯坦福大学搬走原子团 写 下斯坦福大学英文名字 1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出 IBM 之后 中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出 中国 二字 标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 5 原子 构成万物的小小原子 究竟小到什么程度 中国古代有位叫公孙龙的说过 一尺之棰 日取其半 万世不竭 如果确实有这样的工具 能一直截下去的话 那么 一尺木棍每天截去一半 到第三天只剩八分之一尺 第十天只剩1千零二十四分之一尺 到第三十天 剩下十亿分之一尺 这时木棍已经比纤维分子还小 到第三十二天 只剩下四十亿分之一尺 相当于原子大小了 科学家发现 不同的原子 大小也不同 原子的直径一般是一亿分之一厘米 一个最小的细菌里面大约可以容纳20亿个原子 氢原子的直径为1埃 化学家常常自豪地说 化学是一门在原子分子水平上研究物质的结构 性质 变化规律和应用的科学 但是真正 看见 原子和分子却是20世纪80年代后期的事 距离道尔顿提出原子论的时间差不多有2个世纪 原子小于光的波长 单个原子对光是透明的 光学显微镜怎么改进都不可能看到原子 十个氢原子紧密排列 1nm颗粒 乒乓球 地球 6 怎样看见和操纵原子 纳米世界的眼和手 扫描隧道显微镜 STM 扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子 分子世界 对纳米科技的发展起到了巨大的推进作用 STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一 7 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器 能达到原子级的超高分辨率 扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段 而且可以作为在极其细微的尺度 即纳米尺度 1nm 10 9m 上实现对物质表面精细加工的新奇工具 目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子 一门新兴的学科 纳米科学技术已经应运而生 8 20世纪80年代初期 IBM公司苏黎世实验室的两位科学家G Binnig和H Roher发明了扫描隧道显微镜 这种新型显微仪器的诞生 使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质 对表面科学 材料科学 生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值 为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖 9 扫描隧道显微镜 10 科学家使用STM观测物质的纳米结构 11 STM具有空间的高分辨率 横向可达0 1nm 纵向可达0 01nm 能直接观察到物质表面的原子结构 把人们带到了微观世界 它的基本原理是基于量子隧道效应和扫描 它是用一个极细的针尖 针尖头部为单个原子 去接近样品表面 当针尖和表面靠得很近时 1nm 针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭 若在针尖和样品之间加上一个偏压 电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流 通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动 就可把表面的信息 表面形貌和表面电子态 记录下来 由于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性 国际上掀起了研制和应用STM的热潮 推动了纳米科技的发展 12 STM针尖扫描隧道显微镜工作原理示意图 13 纳米算盘C60每10个一组 在铜表面形成世界上最小的算盘 硅表面 14 纳米皇冠 15 16 StructureofSodiumChloride ImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscope 17 AFM弥补STM的局限有人发现利用探针针尖与表面之间的各种相互作用 可以用来分析高分辨率成像 1986年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器 该仪器称为原子力显微镜 ATM STM与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜 SPM 的两大主体技术 AFM又弥补了STM的局限 使被测试样扩大到非导电领域 18 原子力显微镜 atomicforcemicroscope简称AFM 利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号 维持针尖 样品间作用力恒定 同时针尖在样品表面扫描 从而得知样品表面的高低起伏 原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现 如果探针和样品间有力的作用 悬臂将会弯曲 为检测悬臂的微小弯曲量 位移 采用激光照射悬臂的尖端 四象限探测器就可检测出悬臂的偏转 通过电子学反馈系统使弯曲量保持一定 即控制扫描管Z轴使作用于针尖 样品间的力保持一定 在扫描的同时 通过记录反馈信号就可以得到样品表面的形貌 19 目前除了隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 以外 还有近场光学显微镜 NSOM 侧面力显微镜 IFM 磁力显微镜 MFM 极化力显微镜 SPFM 已有二十多个品种 但大量还处在实验室的产品研发阶段 由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像 因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜 SPM 20 二 纳米技术与纳米材料的概念 过去 人们只注意原子 分子或者宏观物质 常常忽略纳米这个中间领域 而这个领域大量存在于自然界 只是以前没有认识到这个尺度范围的性能 21 纳米材料其实并不神密和新奇 自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料 如蛋白石 陨石碎片 动物的牙齿 海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的 人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史 中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料 就是最早的人工纳米材料 另外 中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜 蜜蜂 海龟不迷路 体内用纳米磁性微粒 相当于生物罗盘 二 纳米技术与纳米材料的概念纳米就在我们身边 22 纳米 nm 实际上是一种长度单位 1纳米仅等于十亿分之一米 人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米 纳米小得可爱 却威力无比 它可以对材料性质产生影响 并发生变化 使材料呈现出极强的活跃性 科学家们说 纳米这个 小东西 将给人类生活带来的震憾 会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计算机技术更深刻 更广泛 更持久 1m 1000mm1mm 1000 m1 m 1000nm 23 空间尺度的划分 宇观 Cosmoscopic 遥观 Remotesensoscopic 宏观 Macroscopic 显微观 Optico microscopic 介观 Mesoscopic 或纳米观 Nanoscopic 1 100nm微观 Microscopic 皮米观 Picosopic 飞米观 Fentoscopic 亚飞米观 Subfentoscopic 24 1 纳米技术纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域 它是指在1 100nm尺度内 研究电子 原子和分子运动规律 特性的高新技术学科 其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子 分子 制造出具有特定功能的产品 注意 单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现 还不能称为纳米技术 如香烟的烟灰粉末或自然土壤中存在的纳米粉末 虽然它们也能够达到一百个纳米以内的尺度 但是 因为它们没有特殊的结构和技术性能表现 所以这些材料还不能称为纳米技术 25 2 纳米材料 纳米材料又称为超微颗粒材料 由纳米粒子组成 一般是指尺寸在1 100nm间的粒子 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域 纳米材料可分为两个层次 纳米超微粒子与纳米固体材料 纳米超微粒子是指粒子尺寸为1 100nm的超微粒子 纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料 而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料 26 三 纳米材料的分类 1 按结构 零维纳米材料 指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料 如纳米粒子 原子团簇等一维纳米材料 有两维处于纳米尺度的材料 如纳米线纳米管二维纳米材料 在三维空间有一维在纳米尺度的材料 如超薄膜三维纳米材料 纳米固体材料 指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型 或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面 如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界 从而使得纳米材料具有高韧性 27 扫描隧道显微镜下的纳米团簇 28 纳米颗粒型材料也称纳米粉末 一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒 由于尺寸小 比表面大和量子尺寸效应等原因 它具有不同于常规固体的新特性 29 用途 高密度磁记录材料 吸波隐身材料 磁流体材料 防辐射材料 单晶硅和精密光学器件抛光材料 微芯片导热基与布线材料 微电子封装材料 光电子材料 电池电极材料 太阳能电池材料 高效催化剂 高效助燃剂 敏感元件 高韧性陶瓷材料 人体修复材料和抗癌制剂等 30 奇妙的碳纳米管 1991年 日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管 这是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状 纤维 内部是空的 外部直径只有几到几十纳米 长度可达数微米甚至数毫米 这样的材料很轻 但很结实 它的密度是钢的1 6 而强度却是钢的100倍 如果用碳纳米管做绳索 是惟一可以从月球上挂到地球表面 而不被自身重量所拉断的绳索 31 碳纳米管本身有非常完美的结构 意味着它有好的性能 它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度 它还有其他材料所不具备的性能 非常好的导电性能 导热性能和电性能 32 碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一 但它的导电率是铜的1万倍 它的强度是钢的100倍而重量只有钢的六分之一 它像金刚石那样硬 却有柔韧性 可以拉伸 它的熔点是已知材料中最高的 纳米碳管的细尖极易发射电子 用于做电子枪 可做成几厘米厚的壁挂式电视屏 这是电视制造业的发展方向 33 把碳纳米管用作转子的纳米马达 34 然而 碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十余年 却尚未得到工业应用 超高的成本使国际市场90 高纯度的碳纳米管价格高达1000 2000美元 克 一般纯度的碳纳米管价格也在60美元 克 远远高出黄金的价格 我国清华 南风纳米粉体产业化工程中心 一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关 是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地 35 多孔纳米线 36 纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒 或颗粒 构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜 37 纳米固体材料 纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型 或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料 Fe B纳米棒 38 39 纳米材料分类 2 按组成可分为 金属纳米材料半导体纳米材料有机和高分子纳米材料复合纳米材料 无机粒子与有机高分子复合材料 无机半导体的核壳结构 40 纳米材料分类 3 按材料物性可分为 纳米半导体纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米铁电体纳米超导材料纳米热电材料 41 纳米材料分类 4 按应用领域可分为 纳米电子材料纳米光电子材料纳米生物医药材料纳米敏感材料纳米储能材料 42 纳米材料分类 5 按化学组分可分为 纳米金属纳米晶体纳米陶瓷纳米玻璃纳米高分子纳米复合材料 43 四 纳米科技研究的重要性 纳米科技与基因工程和智能科技一起被称为 21世纪高科技三剑客 在21世纪初正式登上世界经济舞台 纳米科技的兴起 孕育了一个新的经济模式 纳米经济的诞生 钱学森 1991 我认为 纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点 会是一次技术革命 从而将在21世纪又是一次产业革命 44 纳米科技研究的重要性 2004年1月12日 由中国科学院主办的528名院士投票评选出来的2003世界十大科技新闻揭晓 其中 排名第一的新闻就是科学家研制出世界最小的纳米电动机 二十一世纪纳米技术将推动信息 医学 自动化及能源科学的迅速发展 在未来的二十至三十年内 纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻的影响 一 社会生产途径 二 人类生活方式 三 人们思维模式 45 所以 纳米技术的出现 标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶 46 传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分子 例如 1克水包含了约3 346 1022个水分子 因此通常所测得的体系的各种物理化学性质都是大量粒子的平均行为 实际上 热力学规律成立的前提条件就是由大量粒子组成的体系 那么 当研究对象变成纳米尺度的物质 纳米尺度的微观世界 变成一个原子或一个分子时 是否还会遵循我们从课本上学到的传统理论和规律呢 第二节 纳米材料的特性纳米尺度的物质与宏观物质一样吗 47 第二节 纳米材料的特性 水可能是我们最熟悉的东西 我们每天都离不开水 我们知道油水是不相溶的 无论宏观尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的 你没有办法把它混在一起 但是如果到了纳米尺度上 也就是说在这个微观世界里 它就能够溶 并且溶得非常好 成为热力学的稳定相 不管它温度变化也好 振动也好 里头加一点化学原料也好 它都能够是稳定的 48 第二节 纳米材料的特性 从通常的关于微观和宏观的观点看 纳米级这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统 是一种典型的介观系统 当人们将宏观物体细分成超微颗粒 纳米级 后 它将显示出许多奇异的特性 即它的光学 热学 电学 磁学 力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同 49 纳米材料的特性 1 表面效应2 小尺寸效应3 量子尺寸效应4 宏观量子隧道效应 50 1 表面效应表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加 粒子的表面能及表面张力也随着增加 从而引起纳米粒子性能的变化 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同 存在许多悬空键 并具有不饱和性 因而极易与其他原子相结合而趋于稳定 所以 具有很高的化学活性 利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂 51 粒子的大小与表面原子数的关系 52 表面效应 53 纳米颗粒的表面效应 活性 超微颗粒的表面具有很高的活性 在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧 如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒 一遇到空气就会产生激烈的燃烧 发生爆炸 如要防止自燃 可采用表面包覆或控制氧化速度 使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层 确保表面稳定化 用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力 可以用作新型火箭的固体燃料 也可用作烈性炸药 54 2 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变 在一定条件下会引起颗粒性质的质变 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 对超微颗粒而言 尺寸变小 同时其比表面积亦显著增加 从而产生如下一系列新奇的性质 1 特殊的光学性质 2 特殊的热学性质 3 特殊的磁学性质 4 特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性 介电性能 声学特性以及化学性能等方面 55 小尺寸效应特殊的光学性质 颜色 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时 即失去了原有的富贵光泽而呈黑色 事实上 所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色 尺寸越小 颜色越黑 银白色的铂变成铂黑 由此可见 金属超微颗粒对光的反射率很低 通常可低于1 大约几微米的厚度就能完全消光 利用这个特性可以作为高效率的光热 光电等转换材料 可以高效率地将太阳能转变为热能 电能 也有可能应用于红外敏感原件 红外隐身技术等 56 小尺寸效应超微纳米颗粒的不稳定性 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的 若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒 直径2nm 进行观察 发现这些颗粒没有固定的形态 随着时间的变化会自动形成各种形状 如立方八面体 十面体 二十面体等 它既不同于一般固体 有不同于液体 是一种准固体 在电子显微镜的电子束照射下 表面原子仿佛进入了沸腾状态 尺寸大于10nm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性 57 小尺寸效应纳米微粒的熔点降低 纳米微粒的熔点比常规粉体低得多 由于颗粒小 纳米微粒的表面能高 表面原子数多 这些原子近邻配位不全 纳米微粒间是一种非共价相互作用 活性大 纳米粒子熔化时所增加的内能小得多 这就使得纳米微粒的熔点急剧下降 例如 大块铅的熔点为00K 而20nm球形铅的熔点低于288K 金的熔点通常是 多摄氏度 而晶粒尺度为 纳米的金微粒 其熔点仅为普通金的一半 58 3 量子尺寸效应 微粒尺寸下降到一定值时 费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级 吸收光谱向短波方向移动 这种现象称为量子尺寸效应 对于宏观物体包含无限个原子 N 于是 0 即宏观物体的能级间距几乎为零 而纳米微粒包含的原子数有限 N值很小 能级间距将发生分裂 这就导致纳米微粒磁 光 声 热 电以及超导电性与宏观特性不同 从而产生量子尺寸效应 例如 温度为1K时 直径小于14nm的银纳米颗粒会变成绝缘体 59 4 宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时 该粒子仍能穿越这一势垒 近年来 人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度 量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应 他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化 故称之为宏观量子隧道效应 60 经典理论和量子理论的差别 61 第三节纳米材料的制备技术 为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果 首先要能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁 安排材料 这一技术被称为纳米加工技术 纳米材料的制备科学在当前的纳米技术研究中占据着极为关键的地位 人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类 62 纳米材料的制备技术 实际上 一方面纳米加工技术是纳米科学的重要基础 另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题 比如说 一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性 即物体表面越光滑 它们之间的摩擦力就越小 在纳米世界里 材料表面很小 相互之间距离很近 以至于使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力 因此 在纳米世界内 所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑 63 一 物理方法 1真空冷凝法用真空蒸发 加热 高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体 然后骤冷 其特点纯度高 结晶组织好 粒度可控 但技术设备要求高 2物理粉碎法通过机械粉碎 电火花爆炸等方法得到纳米粒子 其特点操作简单 成本低 但产品纯度低 颗粒分布不均匀 3机械球磨法采用球磨方法 控制适当的条件得到纯元素 合金或复合材料的纳米粒子 其特点操作简单 成本低 但产品纯度低 颗粒分布不均匀 64 二 化学方法 1 化学沉淀法共沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法2 化学还原法水溶液还原法多元醇还原法气相还原法碳热还原法3 溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备 前驱物用金属醇盐或非醇盐均可 方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶 再制成凝胶 经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子 溶胶 凝胶法可以大大降低合成温度 用无机盐作原料 价格相对便宜 65 4 水热法水热法是在高压釜里的高温 高压反应环境中 采用水作为反应介质 使得通常难溶或不溶的物质溶解 反应还可进行重结晶 水热技术具有两个特点 一是其相对低的温度 二是在封闭容器中进行 避免了组分挥发 水热条件下粉体的制备有水热结晶法 水热合成法 水热分解法 水热脱水法 水热氧化法 水热还原法等 近年来还发展出电化学热法以及微波水热合成法 前者将水热法与电场相结合 而后者用微波加热水热反应体系 与一般湿化学法相比较 水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体 不需作高温灼烧处理 避免了可能形成的粉体硬团聚 66 5 溶剂热合成法用有机溶剂代替水作介质 采用类似水热合成的原理制备纳米微粉 非水溶剂代替水 不仅扩大了水热技术的应用范围 而且能够实现通常条件下无法实现的反应 包括制备具有亚稳态结构的材料 苯由于其稳定的共轭结构 是溶剂热合成的优良溶剂 最近成功地发展成苯热合成技术 溶剂加压热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的 在超高压下才能存在的亚稳相 67 6 微乳液法微乳液通常是由表面活性剂 助表面活性剂 通常为醇类 油类 通常为碳氢化合物 组成的透明的 各向同性的热力学稳定体系 微乳液中 微小的 水池 为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒 其大小在几至几十个纳米间 这些微小的 水池 彼此分离 就是 微反应器 它拥有很大的界面 有利于化学反应 这显然是制备纳米材料的又一有效技术 与其它化学法相比 微乳法制备的粒子不易聚结 大小可控 分散性好 运用微乳法制备的纳米微粒主要有以下几类 1 金属 如Pt Pd Rh Ir 84 Au Ag Cu等 2 硫化物CdS PbS CuS等 3 Ni Co Fe等与B的化合物 4 氯化物AgCl AuCl3等 5 碱土金属碳酸盐 如CaCO3 BaCO3 SrCO3 6 氧化物Eu2O3 Fe2O3 Bi2O3及氢氧化物Al OH3 等 68 微乳液法制备Fe2O3示意图 69 7 模板合成法利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成 结构基质为多孔玻璃 分子筛 大孔离子交换树脂等 例如将纳米微粒置于分子筛的笼中 可以得到尺寸均匀 在空间具有周期性构型的纳米材料 Herron等将Na Y型沸石与Cd NO3 溶液混合 离子交换后形成Cd Y型沸石 经干燥后与N2S气体反应 在分子筛八面体沸石笼中生成CdS超微粒子 南京大学采用气体输运将C60引入13X分子筛与水滑石分子层间 并可以将Ni置换到Y型沸石中去 观察到C60Y光致光谱由于Ni的掺入而产生蓝移现象 70 9 电解法此法包括水溶液电解和熔盐电解两种 用此法可制得很多用通常方法不能制备或难以制备的金属超微粉 尤其是负电性很大的金属粉末 还可制备氧化物超微粉 采用加有机溶剂于电解液中的滚筒阴极电解法 制备出金属超微粉 滚筒置于两液相交界处 跨于两液相之中 当滚筒在水溶液中时 金属在其上面析出 而转动到有机液中时 金属析出停止 而且已析出之金属被有机溶液涂覆 当再转动到水溶液中时 又有金属析出 但此次析出之金属与上次析出之金属间因有机膜阻隔而不能联结在一起 仅以超微粉体形式析出 用这种方法得到的粉末纯度高 粒径细 而且成本低 适于扩大和工业生产 71 第四节纳米技术及纳米材料的应用 由于纳米微粒的小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁 光 电 敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性 因此纳米微粒在磁性材料 电子材料 光学材料 高致密度材料的烧结 催化 传感 陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景 72 一 陶瓷增韧 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性 因为纳米材料具有较大的界面 界面的原子排列是相当混乱的 原子在外力变形的条件下很容易迁移 因此表现出甚佳的韧性与延展性 纳米陶瓷 73 二 磁性材料方面的应用 巨磁电阻材料2 新型的磁性液体和磁记录材料 74 三 纳米材料在催化领域的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用 它可以控制反应时间 提高反应效率和反应速度 大多数传统的催化剂不仅催化效率低 而且其制备是凭经验进行 不仅造成生产原料的巨大浪费 使经济效益难以提高 而且对环境也造成污染 纳米粒子表面活性中心多 为它作催化剂提供了必要条件 纳米粒于作催化剂 可大大提高反应效率 控制反应速度 甚至使原来不能进行的反应也能进行 纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10 15倍 75 1 金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上 例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性 烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团 致使双键很难打开 若加上粒径为lnm的铑微粒 可使打开双键变得容易 使氢化反应顺利进行 76 2 半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应发现以来 一直引起人们的重视 原因在于这种效应在环保 水质处理 有机物降解 失效农药降解等方面有重要的应用 77 常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2 锐铁矿相 Fe2O3 CdS ZnS PbS PbSe ZnFe2O4等 主要用处 将这类材料做成空心小球 浮在含有有机物的废水表面上 利用太阳光可进行有机物的降解 美国 日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理 采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中 使其具有保洁杀菌的功能 也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维 锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用Cu Ag 离子修饰 杀菌效果更好 这种材料在电冰箱 空调 医疗器械 医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景 78 3 纳米金属 半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼 可以作为助燃剂在燃料中使用 目前 纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂 掺杂到高能密度的材料 如炸药 增加爆炸效率 也可以作为引爆剂进行使用 提高热燃烧效率 将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中 以提高燃烧的效率 因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂 纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂 可使燃烧效率提高100倍 纳米炸药比常规炸药性能提高千百倍 79 四 纳米材料在光学方面的应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性 如光吸收 光反射 光传输过程中的能量损耗等 都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系 研究表明 利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用 目前关于这方面研究还处在实验室阶段 有的得到了推广应用 下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用 80 1 红外反射材料 高压钠灯以及各种用于拍照 摄影的碘弧灯都要求强照明 但是电能的69 转化为红外线 这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉 仅有一少部分转化为光能来照明 同时 灯管发热也会影响灯具的寿命 如何提高发光效率 增加照明度一直是亟待解决的关键问题 纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径 20世纪80年代以来 人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜 总厚度为微米级 衬在有灯丝的灯泡罩的内壁 结果不但透光率好 而且有很强的红外线反射能力 81 2 隐身材料 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长 因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多 这就大大减少波的反射率 使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱 从而达到隐身的作用 另一方面 纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3 4个数量级 对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多 这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低 因此很难发现被探测目标 起到了隐身作用 某些几十纳米厚的固体薄膜的吸收效果与比它厚1000倍的现有吸波材料相同 美国研制的纳米隐身涂料超黑粉对雷达波的吸收率达99 82 美国F117隐形轰炸机机 83 美国B2隐形轰炸机 84 3 用于制造微型武器利用纳米技术可以把传感器 电动机和数字智能装备集中在一块芯片上 制造出几厘米甚至更小的微型装置 在未来战场上 将出现能像士兵那样执行军事任务的超微型智能武器装备 据报道 美国研制的小型智能机器人 大的像鞋盒子那么大 小的如硬币 它们会爬行 跳跃甚至可飞过雷区 穿过沙漠或海滩 为部队或数千公里外的总部收集信息 微型机电武器还可用于敌我识别 探测核污染和化学毒剂 无人侦察机等 85 4 用于制造微型卫星和纳米卫星由于纳米技术 微电机技术的发展 一些国家发射的卫星正向小型化方向发展 1993年 美国航空航天公司就提出了纳米卫星 重约0 1 10千克 的概念 1999年 英国 美国 瑞典各发射了一颗纳米卫星 专用微型集成电路取代现在卫星上使用的有关系统 使微型卫星 纳米卫星体积小 重量轻 生存能力强 即使遭受攻击也不会丧失全部功能 研制费用低 不需大型实验设施和跨度大的厂房 易发射 不需大型运载工具发射 一枚小型运载火箭即可发射千百颗 再按不同轨道组成卫星网 即可实现对地球表面的覆盖 86 五 纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用 随着纳米技术的悄然崛起 纳米环保也会迅速来临 拓展人类利用资源和保护环境的能力 为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件 87 1 纳米技术在治理有害气体方面的应用 纳米技术可以制成非常好的催化剂 其催化效率极高 经它催化的石油中硫的含量小于0 01 因而 在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂 以帮助煤充分燃烧 提高能源的利用率 防治有害气体的产生 纳米级催化剂用于汽车尾气催化 有极强的氧化还原性能 使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物 根本无需进行尾气净化处理 88 2 纳米技术在污水处理方面的应用 污水中通常含有有毒有害物质 悬浮物 泥沙 铁锈 异味污染物 细菌病毒等 污水治理就是将这些物质从水中去除 由于传统的水处理方法效率低 成本高 存在二次污染等问题 污水治理一直得不到很好解决 纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题 污水中的贵金属是对人体极其有害的物质 它从污水中流失 也是资源的浪费 新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金 钌 钯 铂等完全提炼出来 变害为宝 一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力 它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10 20倍 89 3 纳米TiO2与环境保护 由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外 还具有光催化性能 使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色 90 1 降解空气中的有害有机物对室内主要的气体污染物甲醛 甲笨等的研究结果表明 光催化剂可以很好地降解这些物质 其中纳米TiO2的降解效率最好 将近达到100 其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳 水和有机酸 纳米TiO2的光催化剂也可用于石油 化工等产业的工业废气处理 改善厂区周围空气质量 2 降解有机磷农药有机磷农药是70年代发展起来的农药品种 占我国农药产量的80 它的生产和使用会造成大量有毒废水 这一环保难题 使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决 91 3 处理毛纺染整废水用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水 具有省资 高效 节能 最终能使有机物完全矿化 不存在二次污染等特点 显示出良好的应用前景 4 解决石油污染问题在石油开采运输和使用过程中 有相当数量的石油类物质废弃在地面 江湖和海洋水面 用纳米TiO2可以降解石油 解决海洋的石油污染问题 5 处理城市生活垃圾用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解 其速度是大颗粒TiO2的10倍以上 从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力 92 6 高效的杀菌剂一般常用的杀菌剂Ag Cu等能使细胞失去活性 但细菌被杀死后 可释放出致热和有毒的组分如内毒素 内毒素是致命物质 可引起伤寒 霍乱等疾病 利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌 而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物 在医院的病房 手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用 93 7 自洁作用纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性 因此其表面具有自清洁效应 即其表面具有防污 防雾 易洗 易干等特点 我国新近研制成功一种具备自动清洁功能 可以自动消除异味 杀菌消毒的 纳米自洁净玻璃 纳米自洁净玻璃 是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜 薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物 氧化室内有害气体 杀灭空气中的各种细菌和病毒 94 被称之为21世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响 有着广泛的应用前景 甚至会改变人们的传统环保观念 利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势 95 六 纳米技术在生物工程上的应用 众所周知 分子是保持物质化学性质不变的最小单位 生物分子是很好的信息处理材料 每一个生物大分子本身就是一个微型处理器 分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化 其原理类似于计算机的逻辑开关 利用该特性并结合纳米技术 可以此来设计量子计算机 96 到目前为止 还没有出现商品化的分子计算机组件 科学家们认为 要想提高集成度 制造微型计算机 关键在于寻找具有开关功能的微型器件 美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导 与 门 利用发光门制成蛋白质存储器 此外 他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置 97 纳米计算机的问世 将会使当今的信息时代发生质的飞跃 它将突破传统极限 使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍 从而实现电子学上的又一次革命 98 如果有一种超微型镊子 能够钳起分子或原子并对它们随意组合 制造纳米机械就容易多了 科学家用DNA 脱氧核糖核酸 制造出了一种纳米级的镊子 利用DNA基本元件碱基的配对机制 可以用DNA为 燃料 控制这种镊子反复开合 99 七 纳米科技在其他方面的应用 1 医学使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细 并在纳米材料的尺度上直接利用原子 分子的排布制造具有特定功能的药品 将药物储存在碳纳米管中 并通过一定的机制来激发药剂的释放 则可控药剂有希望变为现实 纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便 用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织 使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液 就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病 100 纳米机器人采用纳米大分子 生物部件 与小分子无机物晶体结构组合 采用纳米电子学控制装配成纳米机器人 将会给人类医学科技带来深刻的革命 使现在许多的疑难病症得到解决 101 这些分子机器人以光感应器作开关 从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量 并按编制好的程序探体内物体 以医师预先编制的程序进行全身健康检查 疏通脑血管中的血栓 清除心脏动脉脂肪沉积物 吞噬病毒和组织破碎细胞 杀死癌细胞 监视体内的病变等 纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作 如修复损坏的器官和组织 做整容手术 进行基因装配工作 从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中 使机体恢复正常功能 102 在血管中运动的纳米机器人 它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物 103 检查体内疾病 重庆科研人员开发的 OMOM胶囊内镜系统 估计三年内可以上市 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 104 2 家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料 具有抗菌 除味 防腐 抗老化 抗紫外线等作用 可用处作电冰箱 空调外壳里的抗菌除味塑料 3 电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产 计算机在普遍采用纳米材料后 可以缩小成为 掌上电脑 105 4 纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2 纳米ZnO 纳米SiO2复配粉体材料 经抽丝 织布 可制成杀菌 防霉 除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装 可用于制造抗菌内衣 用品 可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维 5 机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理 可以提高机械设备的耐磨性 硬度和使用寿命 106 纳米齿轮 107 6 纳米科学技术在精细化工方面的应用 108 一 粘合剂和密封胶 国外已将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中 使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高 其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料 使之具有亲水性 将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构 即纳米SiO2形成网络结构掏胶体流动 固体速度加快 提高粘接效果 由于颗粒尺寸小 更增加了胶的密封性 109 二 涂料 在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化性能 光洁度及强度成倍地提高 涂料的质量和档次自然升级 因纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料 即抗老化 加之其极微小颗粒的比表面积大 能在涂料干燥时很快形成网络结构 同时增加涂料的强度和光洁度 110 三 各种助剂 橡胶纳米Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性 纳米SiO2可以作为抗紫外辐射 红外反射 高介电绝缘橡胶的填料 添加纳米SiO2的橡胶 弹性 耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶 111 塑料纳米SiO2对塑料不仅起补强作用 而且具有许多新的特性 利用它透光 粒度小 可使塑料变得更致密 可使塑料薄膜的透明度 强度和韧性 防水性能大大提高 在有机玻璃生产时加入纳米SiO2可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的 在有机玻璃中添加纳米Al2O3既不影响透明度又提高了高温冲击韧性 112 四 化妆品 纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收 如防晒油 化妆品中普遍加入纳米微粒 如纳米TiO2 ZnO SiO2等 一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能 而且质地细腻 无毒无臭 添加在化妆品中 可使化妆品的性能得到提高 113 第五节 现状与展望 纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学 主要包括纳米电子学 纳米材料学和纳米生物学等 21世纪将是纳米技术的时代 纳米材料的应用涉及到各个领域 在机械 电子 光学 磁学 化学和生物学领域有着广泛的应用前景 纳米科学技术的诞生 将对人类社会产生深远的影响 并有可能从根本上解决人类面临的许多问题 特别是能源 人类健康和环境保护等重大问题 114 纳米材料是近几年来最受关注的新材料之一 其重要意义越来越为人所认识 已有人预言 本世纪五十年代重视微米技术的国家 现在都取得了很大的发展 同样 现在重视纳米科技的国家 将在二十一世纪获得高速发展 IBM的首席科学家Amotrong也曾十分肯定的指出 正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样 纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心 115 21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性 设计出各种新型的材料和器件 通过纳米材料科学技术对传统产品的改性 增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品 目前已出现可喜的苗头 具备了形成21世纪经济新增长点的基础 纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料 能源 信息等各个领域 发挥举足轻重的作用 随着其制备和改性技术的不断发展 纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用 116 纳米技术在各国发展情况 纳米技术在美国2010年 80万纳米科技人才 GDP1万亿美元 200万个就业机会能源部的8项优先研究中 6项有关纳米材料本世纪前10年几个关键领域之一制定了 国家纳米技术倡议 NNI 军工 隐形飞机表面涂料 舰船表面纳米涂料美国总统布什2003 12 3日签署了 21世纪纳米技术研究开发法案 批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元 用于促进纳米技术的研究开发 117 纳米技术在各国发展情况 纳米技术在日本1962年 久保 Kubo 久保理论 量子尺寸效应 国会 21世纪前20年的立国之本著名大企业 纳米实用化技术的计划三菱化工建立了 富勒烯 纳米碳管生产线自洁净玻璃 光催化净化水或空气 118 纳米技术在中国 中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列 合成了当时最长的纤维级碳纳米管中国科技大学 氮化镓粉体清华大学 氮化镓纳米棒中国科技大学 从四氯化碳制备出金刚石纳米粉 被誉为 稻草变黄金 中科院化冶所 七五攻关 纳米碳化硅 八五863 纳米阻燃剂中科院化学所纳米领带超双疏性界面材料防水 防油 防污 防褪色纳米聚丙烯管材高强度 抑菌功能 119 纳米技术在各国发展情况 纳米技术在其它国家韩国 全国纳米技术研究院 纳米显示技术印度 像抓软件产业那样抓纳米科技德国 把发展纳米技术定位在新能源 新环境 全面带动纳米技术在各个领域的发展法国 国家纳米科技中心 纳米产业基金世界都在迎接纳米时代的到来 120 纳米技术对竞争力的提升 能源领域石油 煤等不可再生资源环保领域解决水污染的问题解决空气污染的问题微电子纳米电子器件 纳米线 纳米传感器信息领域光纤 发光器件 121 纳米技术对竞争力的提升 功能性涂料 薄膜防静电涂料特殊视觉涂料紫外线吸收涂层耐磨 防腐 耐高温 耐冲刷涂层机械纳米结构单元和纳米机械结构陶瓷增强 增韧 助烧结 122 纳米技术对竞争力的提升 化学化工催化剂 助催化剂 阻燃剂镍催化氧化丙醛 当镍的粒径在5nm以下 反应选择性发生急剧变化 生成酒精的转化率迅速增大塑料和橡胶制品成型剂 补强剂 抗老化剂OA领域复印机和激光打印机的墨粉喷墨打印机墨水 高级墨水 123 纳米技术对竞争力的提升 纳米药物磁性纳米粒子药物卫生保健品防晒霜纺织品反射红外线型化纤杀菌灭菌除臭型化纤 124 纳米技术对竞争力的提升 提升国防科技纳米探测系统纳米材料提高武器打击能力纳米材料提高防护能力纳米机械系统制造的小型机器人雷达隐身技术美国 超黑粉 对雷达波的吸收率达99 法国 Co Ni纳米颗粒包覆绝缘层 125 纳米技术将来发展的几个阶段 1 准确地控制原子数量在 个以下的纳米结构物质 这需要使用计算机设计 制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置 2 生产纳米结构物质 在这个阶段 纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平 126 纳米技术将来发展的几个阶段 3 造出纳米计算机 纳米磁膜材料将大大提高磁记录密度 纳米加工技术的进步将使纳米级光盘的出现成为可能 其信息储存量将是现在光盘的100万倍 未来的某一天 像现在 银河 那样的巨型计算机可能变成 掌中宝 而美国国会图书馆的全部信息 将会被压缩到一个糖块大小的光盘中 可以预见 未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快 效率将更高 4 科学家们将研制出能够制造动力源与程序自动化的元件和装置 127 要注意的问题 同许多技术一样 纳米科技也是一把双刃剑 虽然在目前尚未显露出它的弊端 但无疑纳米也给人类带来了 生存还是毁灭 的思考 人类应该未雨绸缪 避免纳米给人类带来灾难 科学家介绍说 纳米是绝对微观世界的概念 一旦它们按照物理学上的布朗运动通过各种途径进入人体 进而失控侵入体细胞内 许多这些含有氧化硅 氧化钛 氧化锰或银成分的纳米颗粒就将成为杀手如同幽灵般漂浮在人体内 可能引发病变 此外 科学家为人类在纳米时代描绘的最美妙前景莫过于通过纳米机器人在人体内定向搬运药物或者清理垃圾 可是如果这些小精灵一旦脱疆 你头疼时却偏偏要给你医脚 可该如何是好 美国科学家比尔 乔伊也认为 在单个原子基础上创造物体的纳米技术可能给人类带来灾难 纳米技术可能被用来制造体积非常微小的智能机器 它可能会轻而易举地自我复制 像计算机病毒在整个网络传播一样 给物质世界带来一系列影响 比如说 纳米技术就可能被用来生产仿制武器系统 128 前途光明 道路曲折 面对一浪高过一浪的纳米热 科学家认为 虽然90年代初科学家已经成功搬动原子 但离自如操纵原子还很远 像基因组技术一样 纳米技术还有很长的路要走 即使是那些较为成熟的纳米技术 离产业化开发还有一段艰难的路要走 纳米技术的应用还要有一个认识过程以及产品的升级配套问题 尽管如此 科学家仍然相信 虽然纳米技术已经开始走入百姓的生活 但是纳米科技要像信息技术一样产生广泛而又深刻的影响 那将是二三十年以后的事情 无论如何 纳米已经在我们的面前掀起了它原本神秘的盖头 纳米时代 昂首前行而来 129 谢谢观看 130