第二講納米材料新版ppt課件

1、第二講納米材料天文望遠(yuǎn)鏡哈勃望遠(yuǎn)鏡引 言 掃描電鏡人類科技發(fā)展紿終朝兩個(gè)目標(biāo)奮斗：一個(gè)是向著越來(lái)越大、越遠(yuǎn)的宏觀世界進(jìn)軍，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡向著世界的廣度進(jìn)軍，探索宇宙的起源和進(jìn)化；另一個(gè)是向著越來(lái)越小、越深的微觀世界發(fā)展，發(fā)明了各種顯微鏡、粒子加速器，向著分子、原子、原子核、基本粒子的微觀層次不斷地探索物質(zhì)起源和結(jié)構(gòu)。 19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)已延伸到十分微小的層次時(shí)間已縮短到納(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飛(f)秒(10-15秒)的數(shù)量級(jí)。描述這些微觀體系的學(xué)科相繼建立，如原子核物理、粒子物理、量子力學(xué)等。在向著這兩個(gè)極端目標(biāo)無(wú)盡的征途中，人們驀然回首

2、，發(fā)現(xiàn)我們對(duì)原子、分子和宏觀物體之間的中間領(lǐng)域，即納米領(lǐng)域，卻尚未認(rèn)識(shí)和開(kāi)拓。量子力學(xué)原子核物理粒子物理 20世紀(jì)60 年代人類社會(huì)進(jìn)入了一個(gè)被稱為“后工業(yè)社會(huì)”、“信息社會(huì)”、“新經(jīng)濟(jì)社會(huì)”、“知識(shí)社會(huì)”等擁有多種名稱的社會(huì)?？茖W(xué)家已經(jīng)在新材料和新加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)中創(chuàng)造新的社會(huì)文化。在材料科學(xué)的積累和進(jìn)步中，以及在探測(cè)材料組織設(shè)備的不斷更新和完善的基礎(chǔ)上，信息與通訊材料、電子材料、光子材料正創(chuàng)造著“信息時(shí)代”；通信電纜 Co超級(jí)存儲(chǔ)材料 單分子自旋態(tài)控制航空航天材料、高聚物、復(fù)合材料等也開(kāi)創(chuàng)了“太空時(shí)代”； 航天密封用氫化丁腈橡膠航天復(fù)合管航天線材航空軸承醫(yī)學(xué)材料、高級(jí)陶瓷、生物材料、轉(zhuǎn)基因食

3、物、克隆材料又開(kāi)啟了“生命復(fù)制時(shí)代”等等。各種生物材料基因測(cè)序 在信息、航空、生命等不同領(lǐng)域的背后，人們都可以納米材料的身影。納米材料出現(xiàn)許多既不同于宏觀體系，也不同于微觀體系的奇異性能，而且這個(gè)領(lǐng)域才是對(duì)人類自身關(guān)系最密切的物質(zhì)層次，于是人們集中精力開(kāi)展納米科技的研究。納米材料 納米科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人類科學(xué)技術(shù)已進(jìn)入一個(gè)新的納米科學(xué)技術(shù)時(shí)代，人類即將從“毫米文明”和“微米文明”邁向即將到來(lái)的“納米文明”。 毫米文明微米文明納米文明以納米技術(shù)為代表的新興科技將給人類帶來(lái)第三次工業(yè)革命，納米技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)信息、材料、能源、環(huán)境、生物、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)

4、域的技術(shù)創(chuàng)新，給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)極大的變革，進(jìn)而為人類創(chuàng)造出許多新材料、新產(chǎn)品，徹底改變?nèi)藗兦О倌陙?lái)形成的生活習(xí)慣和生產(chǎn)模式。納米技術(shù)必將成為21世紀(jì)科技發(fā)展的領(lǐng)頭羊。 納米的定義1、納米的定義 納米(nanometer)是一種幾何尺寸量度單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為 nm 1nm=10-3m=10-6mm=10-9 m 1納米是1米的10億分之一人類DNA形態(tài)(方框邊長(zhǎng)為10nm)在原子物理中使用埃()作為計(jì)量單位1 =10-10m，1nm=10 1nm=1000皮米pm(picometre)1pm=1000飛米fm(femtometre)1fm=1000阿米am(attometre)氫原子直徑為11nm=10

5、個(gè)氫原子一個(gè)挨一個(gè)排起來(lái)的長(zhǎng)度納米是一個(gè)極小的尺寸單位C-H化合物中的原子排列方框邊長(zhǎng)為1nm以長(zhǎng)度米為坐標(biāo)單位，人類所研究物質(zhì)世界尺度大小比較。約10億光年人類已觀察到的宇宙大致范圍約10億光年可看到銀河系的全貌1000億千米可看到冥王星的完整軌道1萬(wàn)千米可分辨地球的一部分1千米可分辨城市居民區(qū)的建筑排列10米可看清在足球場(chǎng)上的人1厘米可分辨皮膚表面皺紋的局部100微米可分辨人體細(xì)胞、大小約17微米1微米可看到聚集的染色體100納米可分辨染色體的兩部分1納米可分辨DNA的分子結(jié)構(gòu)100皮米看到電子云籠罩下的原子輪廓1nm=1000皮米100飛米可以從整體上分辨出原子核10飛米可看清原子核中的

6、質(zhì)子和中子1飛米可分辨出組成質(zhì)子和中子的夸克100阿米進(jìn)一步看清夸克，大小為10-10米納米尺寸的量度人的身高 10億nm人頭發(fā)的直徑 60,000-80,000nm血液中的紅血球 6,000-9,000nm 細(xì)菌 2,000-3,000nm病毒尺寸 幾十 nm微觀尺度示意圖紅細(xì)胞病毒納米材料的定義在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在，廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或以它們作為基本單元構(gòu)成的材料。 按維數(shù)、納米材料的基本單元可分為： 零維在空間三繼尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等； 一維指在空間有兩維處于納米尺度

7、，如納米絲、納米棒、納米管等； 二維指在三維空間中有維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。 因?yàn)檫@些單元往往具有量子性質(zhì)，所以，對(duì)零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點(diǎn)、量子線和量子阱之稱。 納米Au顆粒Jana et al Adv. Mater. 2001, 13, 1389 納米氧化鈷顆粒納米 Au線1m1m1m 1mFe2O3納米帶及其組裝的陣列Wen, et al. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 215.一維金納米線金納米線擁有良好的電、熱、機(jī)械等特性，在納米電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。利用高能重離子轟擊聚合物薄膜形成離子徑跡，經(jīng)過(guò)化學(xué)蝕刻獲得重離子徑

8、跡模板，采用電化學(xué)沉積的方法將金填充到納米尺度的孔道中，制備出不同晶體結(jié)構(gòu)、直徑小到20納米的金納米線陣列。 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)科研人員最新研制出了一種新型由許多碳素納米管C60組成的納米薄膜，它的質(zhì)量比鋼輕10倍，但強(qiáng)度卻是鋼的250倍。這種新型材料用途廣泛，可用于航空、軍事、太空以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。二維碳素納米薄膜熟悉的納米材料最早的人工納米材料墨 著名的文房四寶中的墨就包含碳的納米微粒。我國(guó)古代的勞動(dòng)人民早就掌握了用簡(jiǎn)單方法獲得納米材料。2000多年前，他們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經(jīng)冷凝后變成很細(xì)的碳粉。這種碳粉不但是制墨的原料，而且還可以用做染料。用這種

9、方法獲得的碳粉實(shí)際上就是納米粉體。我們的祖先并不知道納米材料的概念，也沒(méi)有任何手段來(lái)分析這些納米顆粒，他們卻知道用這種方法獲得的超細(xì)碳粉所做成的墨具有良好的性能。色澤細(xì)膩附著力強(qiáng)經(jīng)久不變 古代松煙制墨圖早期的墨，是用天然色料合膠而成。漢代起，才用松煙制墨。長(zhǎng)沙馬王堆西漢墓出土的帛畫(huà)使用了當(dāng)時(shí)的墨作為顏料，歷經(jīng)2000多年仍然色澤清晰新石器時(shí)代 陶器紋飾 我國(guó)最著名的墨是安徽徽墨。制作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱，就是煙凝結(jié)成的黑灰。制墨時(shí)所用的黑灰越細(xì)，墨的保色時(shí)間越長(zhǎng)?；漳眉{米級(jí)大小的松煙炱（即所謂“精煙徽墨”）、樹(shù)膠、少量香料及水份制成，書(shū)寫(xiě)的毛筆字有光澤且能保持較長(zhǎng)時(shí)間不褪色。安徽徽墨人

10、工納米涂層 中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層，經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的層薄膜；湖北江陵出土的勾踐劍到今天仍然鋒利，沒(méi)有銹蝕，這也歸功于劍身表面的氧化物納米涂層。雖然當(dāng)時(shí)人們并不知道涂層是由肉眼根本看小到的納米顆粒構(gòu)成，但卻懂得使用它們來(lái)保護(hù)自己的工具。勾踐劍銅鏡天然納米材料觀音土 在微觀上，觀音土究竟什么樣？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)觀音土其實(shí)是一種天然的納米孔材料。 硅藻土是硅藻這種單細(xì)胞藻類生物留下來(lái)的遺體，殼壁由非晶二氧化硅和果膠組成，殼縫為125納米左右。對(duì)殼壁上點(diǎn)紋、線紋觀察后發(fā)現(xiàn)，它們都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20-100納米。所以硅藻土是天然的納米孔材料。 提純、改性后的硅藻精土在處

11、理城市污水等方面已表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。 硅藻土過(guò)濾片生物中的納米結(jié)構(gòu)和納米材料 生物多樣性及其復(fù)雜性的來(lái)源，不是主要決定于組成它的原于和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，以及納米尺度上的生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自然界中早就存在納米微粒和納米結(jié)構(gòu)，只是我們沒(méi)有注意到而已。自潔的荷花 周敦頤的愛(ài)蓮說(shuō)中對(duì)荷花有一句深刻的描寫(xiě)，至今仍然膾炙人口：“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”。從這兩句描寫(xiě)中可以看出，古人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)荷葉具有很強(qiáng)的自潔作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷葉的干凈清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。今天人們發(fā)現(xiàn)，荷葉葉面部具有較強(qiáng)的疏水性，灑在葉面上的水會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，水珠的滾動(dòng)把

12、落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。荷葉自潔效應(yīng)荷葉為什么能出污泥而不染？為什么會(huì)有這種“荷葉效應(yīng)”?從荷葉的基本化學(xué)成分來(lái)看，荷葉是由葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物組成，擁有豐富的-OH、-NH等極性基團(tuán)。這些極性基團(tuán)在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬，因此用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論來(lái)解釋是行不通的。 有些科普書(shū)中是這樣解釋的：“出水荷葉上濺了水滴，由于荷葉上有細(xì)毛，水不能吸附在荷葉上”。荷葉上有細(xì)毛這一點(diǎn)，憑手感就能察覺(jué)，但其表面根本達(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的粗糙度，因而從機(jī)械學(xué)的粗糙度來(lái)解釋也不行。兩位德國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察研究，終于揭開(kāi)荷

13、葉自潔奧妙。原來(lái)在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個(gè)挨一個(gè)隆起的“山包”，“山包”的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。荷葉葉面微觀結(jié)構(gòu)（100微米） 這些“山包”又是由許多直徑為200nm左右的突起組成的。這樣就在“微米結(jié)構(gòu)”上再疊加上“納米結(jié)構(gòu)”，在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無(wú)數(shù)“小山”。荷葉小突起再放大后見(jiàn)到的納米結(jié)構(gòu) 在“小山”之間的凹陷部分充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級(jí)厚度的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上面，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個(gè)

14、點(diǎn)接觸，在“山頭”間跑來(lái)跑去，卻不能進(jìn)入到荷葉內(nèi)部。于是荷葉便有了疏水的性能。水滴在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是荷葉能自潔的奧妙所在。 要制備具有荷葉效應(yīng)的自清潔超疏水表面材料還有很長(zhǎng)的路要走，而中國(guó)的研究人員在正確的方向上取得了很有意義的進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)家采用一種普通的塑料聚苯乙烯微球制備出一種具有超疏水性質(zhì)的塑料薄膜。多孔微球和納米纖維復(fù)合材料海洋的真正主人 浩瀚的海洋就是一個(gè)龐大越微粒的聚集場(chǎng)所。原先認(rèn)為海洋中非生命的亞微米的粒子(0.41.0m)具有很豐富的濃度約為106107/毫升，最近威爾斯等人在南太平洋發(fā)現(xiàn)小于120nm的海洋膠體粒子的濃度

15、至少是這種亞微米粒子的3倍。這些納米粒子才是真正的海洋主人，對(duì)海洋的運(yùn)動(dòng)、海洋中的各種生命等有著重要影響。通過(guò)對(duì)這些納米粒子的研究，可以獲取海洋、生命的起源以及獲取開(kāi)發(fā)海洋資源的信息。戀家的蜜蜂 蜂窩是有許多規(guī)整的六邊形蜂房組成，蜜蜂居住在其中?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，每只蜜蜂都有屬于自己的蜂房。雖然每個(gè)蜂房的形狀幾乎完全相同，但蜜蜂相互之間不會(huì)“走”錯(cuò)房間。 六邊形的蜂房采蜜的蜜蜂最近，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜜蜂的腹部存在磁性納米粒子，這種磁性顆粒一方面具有指南針功能，蜜蜂利用這種“羅盤(pán)”來(lái)確定其周圍環(huán)境在自己頭腦里的圖像并判明方向，為其活動(dòng)導(dǎo)航；另一方面具有存儲(chǔ)器功能，當(dāng)蜜蜂靠近自己的蜂房時(shí)，它們就把周圍環(huán)境

16、的圖像儲(chǔ)存起來(lái)，外出采蜜歸來(lái)就啟動(dòng)這種記憶，實(shí)質(zhì)就是把自己儲(chǔ)存的圖像與所看到的圖像進(jìn)行對(duì)比和移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)圖像完全一致時(shí)它們就明白又回家了。 “橫行”的螃蟹 螃蟹以其獨(dú)特的“橫行”方式成為生物界中一道別致的風(fēng)景。橫行的螃蟹生物科學(xué)家最近研究指出，螃蟹原先并不是象現(xiàn)在這樣橫行運(yùn)動(dòng)，而是像其他生物一樣前后運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)閮|萬(wàn)年前的螃蟹第一對(duì)蟹螯里有幾顆用于定向的磁性納米微粒，就象是幾只小指南針。螃蟹的祖先靠這種“指南針”堂堂正正地前進(jìn)后退，行走自如。但是，由于地殼劇烈運(yùn)動(dòng)，地球的磁場(chǎng)發(fā)生多次劇烈的倒轉(zhuǎn)，使螃蟹體內(nèi)的小磁粒失去了原來(lái)的定問(wèn)作用，于是使它失去了前后行動(dòng)的功能，變成了橫行。 全球定位的海龜

17、美國(guó)科學(xué)家一直對(duì)東海岸佛羅里達(dá)的海龜進(jìn)行了長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)海龜通常在佛羅里達(dá)的海邊上產(chǎn)卵，幼小的海龜為了尋找食物通常要到大西洋的另一側(cè)靠近英國(guó)的小島附近的海域生活。從佛羅里達(dá)到這個(gè)島嶼的海面再回到佛羅里達(dá)來(lái)回的路線不一祥相當(dāng)于繞大西洋一圈，需要56年的時(shí)間。遷徙的海龜這樣準(zhǔn)確無(wú)誤地航行靠什么導(dǎo)航？為什么海龜遷移的路線總是順時(shí)針的?最近美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海龜?shù)念^部有磁性的納米微粒，它們就是憑借這種納米微粒準(zhǔn)確無(wú)誤地完成幾萬(wàn)里的遷移。海龜?shù)倪w移“頑固”的牙齒 人類和動(dòng)物的牙齒是由定向的羥基磷灰石納米纖維與膠質(zhì)基體復(fù)合而成，這種具有納米結(jié)構(gòu)的材料硬度很大，相當(dāng)耐磨，極耐腐蝕。所以，這無(wú)疑是上天給人類和動(dòng)物最

18、好的恩賜。此外，動(dòng)物的某些骨骼、筋、軟骨、皮以及部分昆蟲(chóng)的表皮等也都是納米復(fù)合材料。 牙齒微觀形貌藍(lán)田遺址中發(fā)現(xiàn)的牙齒通過(guò)對(duì)自然界中的納米材料和納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，我們可以得到相當(dāng)大的啟發(fā)。我們能否模仿荷葉表面的結(jié)構(gòu)，制造出應(yīng)用于生活的各種各樣的疏水材料來(lái)？我們能否從生物體內(nèi)的納米粒子得到啟發(fā)，為我們?cè)O(shè)計(jì)納米尺度的新型導(dǎo)航器提供有益依據(jù)？要達(dá)到上述目的，必須要了解納米材料，了解納米材料的獨(dú)特性能。生物中的納米結(jié)構(gòu)和納米材料小結(jié)納米材料與納米技術(shù)的發(fā)展史 要了解納米材料，首先應(yīng)從了解納米材料的出現(xiàn)和發(fā)展歷史開(kāi)始。根據(jù)時(shí)間，我們可以將納米材料的發(fā)展大致分為三個(gè)階段：孕育萌生階段探索研究階段應(yīng)用開(kāi)發(fā)階

19、段 孕育萌生階段 人類開(kāi)始制造和使用納米材料應(yīng)該是2000多年前我們中國(guó)人開(kāi)始使用燃燒蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料以及用于作色的染料開(kāi)始的；1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開(kāi)始對(duì)直徑為1100nm的粒子系統(tǒng)進(jìn)行研究；但當(dāng)時(shí)的化學(xué)家們并沒(méi)有意識(shí)到在這樣一個(gè)尺寸范圍是人們認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)新的層次，而只是從化學(xué)的角度作為宏觀體系的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。1959年12月29日,在加州理工學(xué)院發(fā)表了一篇題為“There is a plenty of rooms at the bottoms” (科學(xué)研究還遠(yuǎn)未到盡頭)的演說(shuō)，思索“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡?”，并指出

20、用這種方法制備的材料將具有特殊性能。 著名物理學(xué)家、 諾貝爾物理獎(jiǎng)(1964年)獲得者(理查德.費(fèi)曼)20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開(kāi)始有意識(shí)地把納米粒子作為研究對(duì)象來(lái)探索納米體系奧秘。1962年，Kubo(久保)研究發(fā)現(xiàn)金屬超微粒子與塊體材料的熱性質(zhì)不同，并針對(duì)金屬超微粒費(fèi)米面附近的電子能級(jí)狀態(tài)分布提出了著名的久保理論，也就是超微顆粒的量子限制理論或量子限域理論，從而推動(dòng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家向納米尺度的微粒進(jìn)行探索。 l963年，及其合作者發(fā)展了所謂的氣體冷凝法，即通過(guò)在純凈的惰性氣體中的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程獲得較干凈的超微粒，并對(duì)單個(gè)金屬微粒的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。 氣體冷凝法制備納米材料示

21、意圖1974年，日本學(xué)者Taniguchi首次提出了“Nanotechnology”(納米科技)一詞，1981年德國(guó)科學(xué)家提出了“Nanostructure of solids”(固體納米結(jié)構(gòu))的概念，并發(fā)展了具有納米晶粒尺寸和大量界面的各種特殊性能的材料。70年代未80年代初，對(duì)納米微粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。久保理論也日臻完善在用量子尺寸效應(yīng)解釋超微粒子某些特性方面獲得成功。 1981年，美國(guó)IBM公司在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的教授和博士發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy)，簡(jiǎn)稱STM。STM設(shè)備外貌和原理圖STM是目前為止進(jìn)行表面

22、分析的最精密的儀器之一，可以直接觀察到原子。它的橫向分辨率可以達(dá)到，縱向分辨率達(dá)到，并且還具有操縱原子的功能。這使理查德費(fèi)曼的預(yù)言僅過(guò)了12年就成為現(xiàn)實(shí)，兩位發(fā)明人也因此獲得了1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。它是在納米材料研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行納米合成、納米添加發(fā)展新型材料，并對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，擴(kuò)大納米材料的應(yīng)用范圍，形成基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并行發(fā)展的新局面。2000年，中科院沈陽(yáng)金屬所的盧柯小組利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當(dāng)前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一?；漳眉{米級(jí)大小的松煙炱（即所謂“精煙徽墨”）、樹(shù)膠、少量香料及水份制成，書(shū)寫(xiě)的毛筆字有光澤

23、且能保持較長(zhǎng)時(shí)間不褪色。100皮米看到電子云籠罩下的原子輪廓生物多樣性及其復(fù)雜性的來(lái)源，不是主要決定于組成它的原于和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，以及納米尺度上的生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律。10飛米可看清原子核中的質(zhì)子和中子此外，碳納米管的電導(dǎo)高于Cu，在低溫下，電導(dǎo)隨外加磁場(chǎng)的變化出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。這些“山包”又是由許多直徑為200nm左右的突起組成的。久保理論也日臻完善在用量子尺寸效應(yīng)解釋超微粒子某些特性方面獲得成功。到那時(shí)，人類到外太空旅行將是一件輕而易舉的事情。小尺寸效應(yīng)對(duì)陶瓷的韌化十分重要。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象以及納米半導(dǎo)體微

24、粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。正是荷葉的干凈清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。納米(nanometer)是一種幾何尺寸量度單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為 nm要了解納米材料，首先應(yīng)從了解納米材料的出現(xiàn)和發(fā)展歷史開(kāi)始。于是荷葉便有了疏水的性能。STM的發(fā)明不僅意味著人們可以直接觀察到原子、分子，而且還能夠利用STM直接操縱和安排原子和分子，這代表著納米科技的誕生，在人類科學(xué)史上是一個(gè)巨大的進(jìn)步。 利用STM進(jìn)行原子表面修飾和單原子操縱探索研究階段 STM誕生迅速將人類推進(jìn)到納米材料的探索研究階段。STM誕生后不久，美國(guó)IBM的兩名科學(xué)家就開(kāi)始利用

25、STM直接操作原子，成功地在鎳板上將35個(gè)氙原子按自己的意志安排原子組合成“IBM”宇樣；此后日本在室溫下進(jìn)行單原子操縱，以原子空穴的形式寫(xiě)下了“Peace的字樣。氙原子組成的IBM字樣1987年美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的席格爾等人用惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備金紅石結(jié)構(gòu)的納米氧化鈷陶瓷致密度達(dá)95。與粗晶氧化鈷陶瓷比較，對(duì)應(yīng)同樣燒結(jié)溫度，納米陶瓷硬度均高于常規(guī)陶瓷；對(duì)應(yīng)同樣的硬度值納米TiO2燒結(jié)溫度可降低幾百度。 納米陶瓷粉與塊體1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世，正式提出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)和納米機(jī)械學(xué)

26、的概念，這標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立學(xué)科的誕生。1991年IBM的利用STM快速重復(fù)地在Ni表面同一位置上“拾”起或“放”下一個(gè)氙原子，原則上創(chuàng)造了速度為二百億分之一秒的單原子雙級(jí)開(kāi)關(guān)裝置。這為原子級(jí)的計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)器件的誕生創(chuàng)造了條件。專家們預(yù)計(jì)，達(dá)一突破性的納米新科技研究工作將可能使美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的全部藏書(shū)存儲(chǔ)在一個(gè)直徑為的硅片上。美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館Si基片1991年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究組提交了一篇理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成，因而文章未予以發(fā)表。同年1月, 日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的Ijima(飯島澄男)用高分辨電鏡就觀察到碳納米管。 上圖為碳納米

27、管理論模型 下圖為STM觀察到的碳納米管照片與此同時(shí)，莫斯科化學(xué)物理研究所的研究人員也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了碳納米管和納米管束。單壁碳納米管是由美國(guó)IBM的Bethume(伯森)等人發(fā)現(xiàn)。每個(gè)單壁管側(cè)面由碳原子六邊形組成，長(zhǎng)度一般為幾十納米至微米級(jí)，兩端由碳原子的五邊形封頂。 單壁碳納米管多層碳納米管一般是由幾個(gè)到幾十個(gè)單壁碳納米管同軸組成，管間距在左右。多層碳納米管碳納米管奇特的物理性質(zhì) 1)純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體。同時(shí)，C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性。2)碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，這是由于電子的量子限域所致，電子只能在單

28、層石墨片中沿納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，徑向運(yùn)動(dòng)受到限制。經(jīng)計(jì)算表明，有1/3的小直徑碳納米管具有金屬性質(zhì)，而其余的具有半導(dǎo)體性質(zhì)。此外，碳納米管的電導(dǎo)高于Cu，在低溫下，電導(dǎo)隨外加磁場(chǎng)的變化出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。3)碳納米管不僅具有良好的導(dǎo)電性能, 還是目前最好的導(dǎo)熱材料，同時(shí)，碳納米管活性很高，普通的閃光就能使其燃燒。4)納米碳管具有十分優(yōu)良的力學(xué)性能。碳納米管的質(zhì)量只有相同體積鋼的六分之一, 但抗張強(qiáng)度卻比鋼高100倍，比鈦高10倍；由懸臂粱振動(dòng)測(cè)量結(jié)果，碳納米管的楊氏模量高達(dá)1012Pa左右；延伸率達(dá)百分之幾，具有好的可彎曲性。碳納米管的巨大應(yīng)用前景 1)納米尺度電子元件可在兩個(gè)共軸納米管或納米管結(jié)的基

29、礎(chǔ)上來(lái)制造設(shè)計(jì)，元件同時(shí)具有金屬和半導(dǎo)體性質(zhì)。2)納米碳管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使它成為今后計(jì)算機(jī)芯片的熱點(diǎn), 也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等的各種高溫部件的防護(hù)材料。碳納米管電子元件3)碳納米管可用于電子探針或顯示的針尖及場(chǎng)發(fā)射。碳納米管與其他材料形成的復(fù)合材料電導(dǎo)大大增強(qiáng)，噴在表面可做導(dǎo)電漆或涂層。它也可作為晶體管的發(fā)射極。用于場(chǎng)發(fā)射使用的碳納米管50m750m150m 20m250m4)碳納米管優(yōu)異的力學(xué)性能可使它們用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，用做復(fù)合材料、防磨涂料、潤(rùn)滑劑、液體表而保護(hù)劑等。如果摻入樹(shù)膠，這種納米管可在分子等級(jí)上與樹(shù)膠混合形成高強(qiáng)度樹(shù)膠，用于制作小型精密機(jī)械用樹(shù)膠齒輪，也可用于制作不易破損的

30、輕型透明樹(shù)膠基片。碳納米管強(qiáng)度高、重量輕，最有前途的用途莫過(guò)于將制作太空升降機(jī)的纜繩。這是因?yàn)槔|繩的長(zhǎng)度是從太空下垂到地面的距離，目前世界上除了碳納米管，沒(méi)有任何材料能夠支撐這種長(zhǎng)度纜繩自身的重量。到那時(shí)，人類到外太空旅行將是一件輕而易舉的事情。太空梯5)碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)在燃料電池和化工催化上也有很大用途。碳納米管的空腔是很好的貯氫場(chǎng)所。碳納米管具有很大的比表面積，由其形成的有序納米孔洞厚膜不但能用于鋰離子電池，而且在此厚膜孔內(nèi)填充電催化的金屬或合金后可用來(lái)電催化O2分解和甲醇的氧化。6) 碳納米管甚至可以用來(lái)制作納米齒輪，為制備納米機(jī)械打下基礎(chǔ)。目前人們已經(jīng)合成出了WS2、MoS2、BN、

31、TiO2、NiCl2、類酯體、肽以及定向排列的氮化碳等納米管，納米管的出現(xiàn)豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的發(fā)展和機(jī)遇。中國(guó)科學(xué)院于1991年召開(kāi)了我國(guó)首次“納米科技發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”。會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所的青年學(xué)術(shù)小組作了“面向21世紀(jì)的高新科技納米科學(xué)技術(shù)”的主題報(bào)告。當(dāng)時(shí)對(duì)納米材料，國(guó)家科技部已經(jīng)安排了基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目進(jìn)行研究，但對(duì)納米科技的整體研究尚未安排國(guó)家級(jí)的計(jì)劃。所以，在某種意義上說(shuō)，該次會(huì)議標(biāo)志著我國(guó)真正啟動(dòng)了納米科技研究。中科院真空物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1993年用STM在Si重構(gòu)表面上開(kāi)展原子操縱研究，通過(guò)針尖與樣品之間的相互作用，把硅晶體表面

32、的原子撥出，從而在表面上形成一定規(guī)則的圖形，形成“中國(guó)”等字樣。中科院化學(xué)所用掃描隧道顯微鏡在石墨晶體表面刻寫(xiě)的中國(guó)地圖，線條寬度為納米級(jí)。這些技術(shù)的突破是我國(guó)納米科技的重大進(jìn)展，在高密度信息儲(chǔ)存、納米電子器件、量子器件、新型材料的組成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。同時(shí)也標(biāo)志我國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段1994年在美國(guó)波士頓召開(kāi)的MRS秋季會(huì)議上正式提出納米材料工程。它是在納米材料研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行納米合成、納米添加發(fā)展新型材料，并對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，擴(kuò)大納米材料的應(yīng)用范圍，形成基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并行發(fā)展的新局面。隨后，綱米材料及其技術(shù)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化步伐

33、加快，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，世界競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)逐漸形成。 1996 年，中國(guó)科技大學(xué)謝毅利用苯熱合成法制備出平均粒度為30nm 的氮化鎵粉體。1997 年，清華大學(xué)范守善教授制備出直徑為3-50nm、長(zhǎng)度達(dá)微米級(jí)的氮化鎵納米棒, 首次把氮化鎵制備成一維納米晶體， 提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。1999 年, 他與美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作， 實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(zhǎng)。 1997年，美國(guó)紐約大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，DNA(脫氧核糖核酸)可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置，這是繼碳納米管后又一可制作納米機(jī)械的材料。DNA納米機(jī)械裝置1998年, 中國(guó)科技大學(xué)錢(qián)逸泰院士的研究組用催化熱解法，從四氯化碳制備出金剛石

34、納米粉，被國(guó)際刊物譽(yù)為“稻草變黃金”。CCl4結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)1999 年巴西和美國(guó)科學(xué)家用碳納米管制備了世界上最小的“秤”。具體操作是先將電流通人碳納米管，再觀測(cè)碳納米管的振動(dòng)頻率，由此計(jì)算出碳管的強(qiáng)度和柔韌性。后來(lái)，他們將一個(gè)納米顆粒放在碳納米管的一個(gè)頂端，再重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于重量發(fā)生了變化，使得碳納米管的振動(dòng)頻率也隨之發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而測(cè)算出納米顆粒的重量。 納米天平2000年，中科院沈陽(yáng)金屬所的盧柯小組利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當(dāng)前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。而且他們還發(fā)現(xiàn)納米銅的室溫超塑延展性，獲得納米金屬銅

35、室溫壓延伸率高達(dá)5000的超塑性現(xiàn)象，展示無(wú)空隙納米材料的變形機(jī)制。=0%= 200% = 600% = 2000%= 5100% 美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家Amstrong (阿姆斯特朗)說(shuō)；“正像70年代微電子技術(shù)產(chǎn)生了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀(jì)信息時(shí)代的核心”。著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森也預(yù)言“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，將是21世紀(jì)的又次產(chǎn)業(yè)革命?！彪m然納米新技術(shù)目前處于基礎(chǔ)研究階段，但納米科技必將成為21世紀(jì)科學(xué)的前沿和主導(dǎo)。各國(guó)的納米技術(shù)發(fā)展規(guī)劃美國(guó) 自1991年開(kāi)始，把納米技術(shù)列入了“政府關(guān)鍵技術(shù)”、“2005年戰(zhàn)略技術(shù)” 日本 在6年前實(shí)施了為期10年，

36、耗資2.25億美元的納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃 德國(guó) 在1993年提出了今后10年重點(diǎn)發(fā)展的9個(gè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，其中4個(gè)領(lǐng)域涉及納米技術(shù) 中國(guó) “863規(guī)劃”、“九五規(guī)劃”和“十五規(guī)劃”均將納米技術(shù)研究列為重點(diǎn)項(xiàng)目，并成立了國(guó)家納米技術(shù)研究指導(dǎo)委員會(huì)。中科院于2000年10月30日宣布成立納米科技中心，從事納米技術(shù)及相關(guān)研究。 納米材料的特性納米材料在力、熱、磁、光等方面的特性是由納米材料具備的特殊效應(yīng)決定的： 小尺寸效應(yīng)；表面效應(yīng)；量子尺寸效應(yīng)；宏觀量子隧道效應(yīng)；特殊效應(yīng) 物理性能改變應(yīng)用領(lǐng)域小尺寸效應(yīng) 磁有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變磁性材料、超導(dǎo)材料電子能級(jí)間隙增大，電阻增大導(dǎo)電材料、絕緣材料力學(xué)性能的強(qiáng)韌化陶瓷材料、金屬材料等離子共振頻率改變屏蔽材料表面效應(yīng) 原子表面活性增加化工催化、能源材料熔點(diǎn)下降粉末冶金材料量子效應(yīng) 紅外吸收帶寬化且向短波方向移動(dòng)光吸收材料出現(xiàn)新的發(fā)光現(xiàn)象光電子材料宏觀量子隧道效應(yīng) 某些宏觀物理性能可貫穿勢(shì)壘磁性材料、電子材料特殊效應(yīng)對(duì)物理性能的影響及其應(yīng)用（1）小尺寸效應(yīng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致材料的