纳米讲学 绪论.ppt

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1、纳米科技最新研究进展,第一讲 绪 论,1. 纳米科技的基本概念和内涵 2. 纳米科技概念的提出与发展 3. 纳米科技的科学意义 4. 纳米微粒的特性 5. 纳米微粒的四大效应 6. 纳米材料和技术领域研究的对象 7. 纳米科技的研究方法 8. 纳米科技的前景展望 9. 纳米科学与技术会议 10.纳米技术研究进展 11.纳米技术对竞争力的提升 12.世界著名研究小组简介,人高,20亿 纳米,100万 纳米,针头,红血球,分子及DNA,1千纳米,1 纳米,0.1 纳米,氢原子,1.1 什么是纳米(nanometer)？ 纳米是一个长度计量单位。 1m =1103 mm =1106 m = 1109

2、 nm,1. 纳米科技的基本概念和内涵,1.2 什么是纳米结构？ 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构,纳米结构 是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系。它包括一维、二维和三维体系,In this design, two rigid diamondoid rings are fused at a quasi-tetrahedral junction and sized, through the addition or subtraction of repeat subunits in each ring, to accommodate two

3、 carbon nanotubes of different diameters. The crimping of the nanotubes is a result of van der Waals packing of the rings, a feature that can be enhanced or removed by adjusting the ring size. (grey = carbon, white = hydrogen, blue = nitrogen, red = oxygen,In this design, two diamondoid rings replac

4、e small segments of a carbon nanotube, providing a lock for a third, larger ring. The larger ring includes a stitch-work of oxygens to create an electron-rich interior whose effective circular van der Waals packing just touches that of the nanotube framework,Low-friction bearing assembly with two ca

5、rbon allotropes,Crimp junctions for perpendicular carbon nanotube scaffolding,1.3什么是纳米材料? 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,7,2 维纳米材料 （量子面纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。,1 维纳米材料 （量子线纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。,0 维纳米材料 （量子点纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束。,1.3什么是纳米材料,纳米结构材料分类,a 零维的原子簇和原子簇的集合 b 一维的多层薄膜 C 二维的超细颗粒

6、覆盖膜 d 三维的纳米块体材料,纳米材料的发展趋势,图 1. Gd2 O3 :Eu纳米晶的TEM照片 Ref. :中国稀土.1999,17(2):177,纳米微粒纳米线、棒、管和纳米薄膜( 单层、多层) 纳米组装体系材料(一、二、三维,Fig. 5. SEM image of Mesoporous gold Ref.:J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 9554-9555,Fig. 2. TEM image of ZnO nanowire Adv. Mater. 2001, 13( 2):114,Fig.6.Ref.:NATURE.1998, 394(16):256,Fi

7、g.11. SEM image of carbon nanotubes Ref.:Appl. Phys. Lett., 1999, 75(3):368,图 3螺旋棒状亚微米氧化锌 Ref. :化学通报. 2 0 0 0,( 1 1):47,Fig.7. TEM image of BaCrO4 Ref.:NATURE.1999, 402(25 ):394,Fig.8 15nm gold .Ref.:高等学校化学学报.2001,22(7):1217,Fig.12SEM microphotograph of Cu Ref. : Radiation Measurements 1998, 29(2):1

8、49,Fig. 9. Array of Au particles of 4.2 nm . Ref.: Chem. Soc. Rev., 2000, 29, 2735,Fig. 4 Carbon nanotubes Ref.:Chem. Commun., 1999, 11411142,Figure 10. STM image of a periodic array of Fe Ref.: NATURE.1998, 394:451,利用纳米技术还可以直接制造超微型机械。 已制造出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。 波士顿大学制造出了世界最小的仅由78个

9、原子组成的分子马达,纳米泵,纳米轴承,纳米齿轮,1.4 什么是纳米技术,美国桑迪亚国家实验室研制出微型发动机，直径只有200m，其主要活动部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮； 人们只能借助显微镜观看它的旋转，但速度可达到每分钟30万转； 一滴油就可以灌满约50个这样的发动机,纳米管构造的T形和Y形结,1.4 什么是纳米技术,丰田公司用微型部件制造了一辆只有一粒米大的能开动的微型汽车。 美国兹微技术研究所制出一架黄蜂大小的直升机。 这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础,以原子为起点设计的精密运动控制器，包含若干可以独立运动的齿轮和拔杆，共由2596个原子组成,纳米碳管和苯分子构成的

10、纳米齿轮,1.4 什么是纳米技术,1.4 什么是纳米技术,1.5 什么是纳米科学？ 在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学,1981 年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛宾尼（Gerd Binnig）博士和海罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 扫描隧道显微镜（ Scanning tunneling microscope，简称STM,1.6 纳米科学技术(Nano-ST,镍基底上用35个氙原子排列成英文IBM,量子围栏,1991年，IBM公司的“拼字”科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子，拼成了一个大脑袋小人的

11、形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的间距约0.5nm。这个分子人从头到脚只有5nm高，堪称世界上最小的人形图案,纳米神算子 分子算盘 科学家把C60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的,神奇的纳米世界,单根碳纳米弹簧,靓丽的纳米世界,酷似大力神杯的硅纳米结构,扫描隧道显微镜下的纳米团簇,2.纳米科技概念的提出与发展,The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the pos

12、sibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.” - Richard Feynman(1959) Physics Nobel Laureate,2.1 原始思想的提出Nanotechnology Vision,2.2 纳米科技的发展,3. 纳米科技的科学意义,1）纳米科技将促使人类认知的革命; （2）纳米科技将引发一场新的工业革命; （3）纳米科技是一门综合性的交叉学科,师昌绪院士为国家自然科学基金资助

13、纳米科技研究成果展览题词,微米与农民,Micrometer,Note: The same fate to nanometer,纳米技术的发展丝毫不亚于计算机,所有对科技可能带来的社会影响的预测，都只能就现有技术的演进来评估其未来的发展；对革命性的技术突破所造成的冲击，几乎是不可预测的。 在1950年左右，曾有一批专家就计算机未来的发展做预测。由于当时的计算机是用真空管做的，十分耗电笨重。 他们的结论是未来的计算机每秒将可做5000次运算，重3000磅，并且只耗电10千瓦，全世界大概只需要10台。 现代的笔记型计算机，每秒将可做几百万次的运算，重只有几磅，并且只耗电约1瓦。目前，全世界大概有超过

14、10亿的微处理器，使用在计算机、手机、家电用品、汽车、医学器材等各方面的应用,纳米科技研究的内容主要包括,纳米体系物理学 纳米化学 纳米材料学 纳米电子学 纳米生物学 纳米加工学 纳米测量学,1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的16，强度却是钢的100倍,国外纳米技术进展,用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图,国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,国外纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的“纳米秤,我国纳米科技研究进展,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,

15、原子森林由德国实验室托斯顿邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点“森林”，其实，它们只有15纳米高，直径也只有70纳米。 蓝宝石 美国伊利诺斯大学香槟分校的斯科特麦克拉伦及其同事一同建造了这张精美制作的蓝宝石衬底的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒级激光脉冲击打其表面而受热的，在此过程中，蓝宝石喷射出原子而留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再加热和再次喷射，形成了这里所展示的内部深层结构。1飞秒是千万亿分之一秒,2万颗黄金微粒绘出太阳图像 纳米技术创奇迹,4 .纳米粒子的特性,壁虎飞檐走壁,不用洗涤剂的纳米服装,具有易洁纳米涂层的陶瓷,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,4

16、 纳米粒子的特性,已发现的奇异特性主要有： 比表面特别大。 熔点降低。 磁性的变化。 光学性质。 超导性。 离子导电性,低温下热导性能好。 比热增加。 化学反应性能提高。 催化性能。 力学性能,5.1纳米微粒的四大效应（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应 当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。 （3）小尺寸效应,5. 纳米微粒的四大效应,表面包覆半导体纳米晶（CdSe, InP, InAs）在不同尺寸时的发射光谱 (粒径越小，波长越短). InAs纳米晶尺寸2.8nm,3.6nm

17、4.6nm,6.0nm ; InP纳米晶尺寸3.0nm,3.5nm,4.6nm; CdSe纳米晶尺寸2.1nm,2.4nm,3.1nm,3.6nm,4.6nm (从右至左),不同尺寸的半导体纳米晶发射光谱,4）宏观量子隧道效应,6.纳米材料和技术领域研究的对象,6.1 零维 指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等,6.2 一维 指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等,6.3 二维 指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜；超晶格等,7. 纳米科技的研究方法,7.1 自上而下(Top Down) 7.2 自下而上(Bottom Up,分离器,原子 分子

18、8. 纳米科技的前景展望,材料和制备 微电子和 计算机技术 环境和能源 医学与健康 生物技术 航天和航空 国家安全,FROM: www.nanoforum.org,1990年在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科技学术会议 1992年在墨西哥召开首届国际纳米材料会议 1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材 料会议 1996年在美国夏威夷召开第三届纳米材 料国际会议 1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届国际纳米材料 会议 2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议,9 .纳米科学技术会议,10.1 纳米技术在美国10.2 纳米技术在日本,10. 纳米技术在世界各国的发展,2001年度

19、日本政府纳米投资领域分布 单位：10亿日元,资料来源：日本科学技术政策委员会（CSTP,2002年文部科学省纳米科技研发经费分布,资料来源：日本文部科学省（MEXT,10.3 其他国家的纳米科技,1) 英国 2) 德国,政府投入逐年增加：（亿美元,德国纳米技术研发投入（亿美元,3） 欧盟,2002年开始的五年计划中，欧盟为了追赶美国和日本，加大了对纳米技术的经费投入，达到11.55亿美元,特别值得注意的是，近年来在韩国、新加坡、中国台湾等国家和地区政府也对纳米技术迅速加大了投资力度,10.4 纳米技术与当代中国,1993年，中科院操纵原子写字,天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1,京工

20、红旗厂 中商纳米公司 成本增加20,国家纳米技术产业化基地于2000年12月6日正式批准成立， 坐落在天津经济技术开发区，占地2平方公里,国内纳米科技发展进展,2010年纳米科技发展的“三大目标” 1、 纳米科学前沿领域 2、 纳米技术开发及其应用方面 3 、形成纳米科技骨干队伍方面,我国“十一五”纳米科技发展重点,纳米电子、纳米光电子材料与微纳器件 纳米生物医用材料 （纳米传感器、重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件） 纳米环境与能源材料 （环境友好与资源节约型纳米材料与技术，新型能源纳米材料与器件） 纳米加工与表征技术 提升传统产业的纳米材料与技术,拟解决的重大技术问题 纳米材料及技术的

21、工程化开发应用 微纳结构材料与器件的制备技术 纳米材料制备新原理、新工艺及新技术,11、 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,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,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

22、和激光打印机的墨粉 喷墨打印机墨水、高级墨水,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,提升国防科技,纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 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,12.1王中林小组,12、 世界著名纳米科技研究小组,12.2 卢柯研究小组,王中林小组成员,工作人员、访问学者、研究生,卢柯研究小组成员,在职人员,在读博士 研究生,客座人员,12.3 研究领域,1.金属纳米材料: 纳米材料的制备与加工, 微观结构的表征, 力学性

23、能, 物理性能, 热稳定性, 以及相变 2.非晶态合金: 非晶态合金的晶化, 玻璃转变, 压力对热稳定性的影响 3.非平衡加工: 快速凝固与快速加热, 严重塑性变形, 压稳相变(热力学与动力学研究) 4.低维材料的熔化与过热: 纳米颗粒, 纳米粒子结构, 多层薄膜, 计算机模拟,在国内，许多科研院所、高等院校已经取得了一定的研究成果，主要如下： 定向纳米碳管阵列的合成 中科院物理研究所解思深研究员等利用化学气相法制备出孔径约20纳米，长度约100微米的碳纳米管。 并制备出纳米管阵列，其面积达3毫米3毫米，碳纳米管之间间距为100微米,中国科学院纳米科技网 http:/ 上海科学技术委员会 http:/,主要参考网站,思考题,什么是纳米科技？你怎样理解？ 纳米科技能够真的改变人类社会吗？ 谈谈你对目前纳米科技的看法？ 列举一些生活中纳米特性的实例，并解释