納米材料的教案

納米材料的教案第1頁/共83頁2主要內(nèi)容一、納米和納米科技二、納米材料的概念和分類三、納米材料的性質(zhì)及應(yīng)用第2頁/共83頁3

納米在哪里？早在中國古代，安徽出的墨，從煙道里掃出來后一遍遍地篩，研制出來的墨非常細(xì)非常均勻、飽滿，寫字非常好，這實(shí)際就是納米顆粒。

一、納米和納米科技第3頁/共83頁41、什么是納米？

納米不是“米”，是長度計(jì)量單位，一米的十億分之一(10-9米)

，萬分之一頭發(fā)粗細(xì)（人的頭發(fā)直徑約為80-100微米），形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般。納米結(jié)構(gòu):

通常是指尺寸在100納米以下（1-100nm）的微小結(jié)構(gòu)。

“納”(nano)來自于希臘文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。第4頁/共83頁5

HumanHair一納米有多??？第5頁/共83頁6病毒：30-100nm納米粒子與病毒大小相當(dāng)紅血球：200-300nm細(xì)菌：200-600nm胃幽門螺桿菌

第6頁/共83頁72、什么是納米科技？

1959年費(fèi)曼在一次題為《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）著名的演講中提出“如果有一天能按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子和分子，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”并預(yù)言，說人類可以用新型的微型化儀器制造出更小的機(jī)器，最后人們可以按照自己的意愿從單個(gè)分子甚至單個(gè)原子開始組裝，制造出最小的人工機(jī)器來?？梢哉f這些都是納米技術(shù)的最早的動(dòng)意/夢想。

最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德·費(fèi)曼(RichardPFeynman)。第7頁/共83頁8

納米科技的迅速發(fā)展是在1980年代末1990年代初。1982年，賓尼希(C．Binnig)和羅雷爾(H．Rohrer)等人發(fā)明了費(fèi)曼所期望的納米科技研究的重要儀器－－掃描隧道顯微鏡(scanning

tunneling

microscopy，STM)。STM不僅以極高的分辨率揭示出了“可見”的原子、分子微觀世界，同時(shí)也為操縱原子、分子提供了有力工具，從而為人類進(jìn)入納米世界打開了一扇更加寬廣的大門。

第8頁/共83頁9掃描隧道顯微鏡具有很高的空間分辨率，橫向可達(dá)0.1納米，縱向可優(yōu)于0.01納米。它主要用來描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖，在納米尺度上研究物質(zhì)的特性，還可以實(shí)現(xiàn)對表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對表面的剝蝕、修飾以及直接書寫等。STM頭部由STM頭部、電子學(xué)處理系統(tǒng)，減震系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。掃描隧道顯微鏡第9頁/共83頁10基本原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)和三維掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的探針（針尖頭部為單個(gè)原子）去接近樣品表面，當(dāng)針尖和樣品表面靠得很近（小于1納米）時(shí)，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時(shí)若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓，電子便會(huì)穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級（10-9A）的隧道電流；隧道電流對距離非常敏感，保持針尖與樣品表面間距的恒定，控制壓電陶瓷使探針沿表面進(jìn)行精確的三維（x,y,z)移動(dòng)掃描時(shí)，由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發(fā)生變化，而距離的變化引起了隧道電流的變化；控制和記錄隧道電流的變化，并把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就可以得到樣品表面高分辨率的三維形貌圖像。掃描隧道顯微鏡一般用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面的測定。掃描隧道顯微鏡的工作原理第10頁/共83頁11高序石墨原子STM圖象

用STM描繪樣品表面三維的原子結(jié)構(gòu):

硅表面硅原子STM圖象

第11頁/共83頁121990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國IBM公司阿爾馬登研究中心（Almaden

Research

Center）的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們使用STM把35個(gè)氙原子移動(dòng)到各自的位置，在鎳金屬表面組成了“IBM”三個(gè)字母，這三個(gè)字母加起來不到3納米長，成為世界上最小的IBM商標(biāo)。

第12頁/共83頁131991年IBM公司的“拼字”科研小組利用STM把一氧化碳分子豎立在鉑表面上、分子間距約0.5納米的“分子人”，這個(gè)“分子人”從頭到腳只有5納米，堪稱世界上最小的人形圖案。第13頁/共83頁14

1993年中國科學(xué)院北京真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)室用STM操縱硅原子寫出“中國”兩個(gè)字，標(biāo)志著中國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。（在室溫下，用STM的針尖，并通過針尖與硅樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成“中國”的圖形。）第14頁/共83頁15世界上最小的中國地圖

中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用STM在石墨表面上通過搬遷碳原子繪制出的世界上最小的中國地圖。第15頁/共83頁16

目前科技界普遍公認(rèn)的納米科技的定義是：在納米尺度（1～100納米）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多學(xué)科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。納米科技與眾多學(xué)科密切相關(guān)，它是一門體現(xiàn)多學(xué)科交叉性質(zhì)的前沿領(lǐng)域。

第16頁/共83頁17

納米科技包括三個(gè)研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征。其中納米材料是納米科技的基礎(chǔ)；納米器件的研制水平和應(yīng)用程度是人類是否進(jìn)入納米科技時(shí)代的重要標(biāo)志；納米尺度的檢測與表征是納米科技研究必不可少的手段和理論與實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。第17頁/共83頁18

傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，是從大到小，從上到下的，比如造一個(gè)櫥，要從粗木到木材到成品；如造電腦，從半導(dǎo)體硅片，經(jīng)過切、割、刻、蝕、滲雜等許多步驟，變成電子元器件，這個(gè)過程，原材料浪費(fèi)大、能耗大。

納米科技的最終目的：是按人的意愿，操縱單個(gè)原子、分子，構(gòu)建納米級的具有一定功能的器件或產(chǎn)品。納米科技研究的技術(shù)路線：可分為“自上而下”和“自下而上”兩種方式。“自上而下(top-down)”

——

是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化(傳統(tǒng)技術(shù))；第18頁/共83頁19“自下而上(bottom-up)”

——

是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這主要是意愿進(jìn)行利用化學(xué)和生物學(xué)技術(shù)(納米技術(shù))

。注：

"自下而上"的制作方式伴隨著納米科技的迅猛發(fā)展將愈來愈受到重視。納米技術(shù)，就是要做到，從小到大，從下到上。要什么東西，將分子、原子搭起來，就是什么東西，原材料浪費(fèi)為零，能耗降到極低，徹底從技術(shù)上解決了環(huán)保問題。第19頁/共83頁20

納米這項(xiàng)新技術(shù)的誕生,其用途之廣,涉及領(lǐng)域之多,前所未有。納米技術(shù)是一門嶄新的交叉學(xué)科,學(xué)科領(lǐng)域涵蓋納米物理學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米顯微學(xué)、納米計(jì)量學(xué)和納米制造等,有著十分寬廣的學(xué)科領(lǐng)域。二十一世紀(jì),納米技術(shù)將廣泛應(yīng)用于信息、醫(yī)學(xué)和新材料領(lǐng)域。

第20頁/共83頁21納米電子學(xué)

當(dāng)今的時(shí)代，大規(guī)模集成電路的制造已經(jīng)進(jìn)入了微米和亞微米的量級,電子器件的集成度越來越高，已經(jīng)接近了它的理論極限。在納米尺度上，由于電子的波動(dòng)性質(zhì)而呈現(xiàn)各種量子效應(yīng)，使得電子器件已無法按照通常的要求進(jìn)行工作。納米電子學(xué)正是面對這種挑戰(zhàn)而誕生的。在納米電子學(xué)這個(gè)天地里，新的發(fā)現(xiàn)，新的成果不斷涌現(xiàn)。

第21頁/共83頁22

納米電子器件中最有應(yīng)用前景的是量子元器件。這種利用量子效應(yīng)制作的器件不僅體積小，還具有高速、低耗和電路簡化的特點(diǎn)。納米電子學(xué)中另一個(gè)有趣的研究熱點(diǎn)是所謂的單電子器件,在單電子器件中，利用庫侖阻塞效應(yīng)，甚至能夠?qū)﹄娮右粋€(gè)一個(gè)的加以控制，這有可能開發(fā)出單電子的數(shù)字電路或存儲(chǔ)器。開發(fā)單電子晶體管,只要控制一個(gè)電子的行動(dòng)即可完成特定功能,使功耗降低到原來的1000—10000分之一。

第22頁/共83頁23納米存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米10萬億字節(jié)。第23頁/共83頁24

基于利用STM

對分子、原子進(jìn)行搬遷的事實(shí)，人們產(chǎn)生了利用該技術(shù)制造分子存儲(chǔ)器甚至原子存儲(chǔ)器的夢想。物體的表面有原子的位置為“1”，沒原子為“0”，這不就可以表示二進(jìn)制嗎？這不就是存儲(chǔ)器嗎？一個(gè)分子存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的信息，相當(dāng)于100萬張光盤的存儲(chǔ)量；而一張同樣大小的原子存儲(chǔ)器的容量，將能夠存入人類有史以來的全部知識(shí)！第24頁/共83頁25

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料的顆?？s小到只有幾納米到幾十納米時(shí)，由于顆粒表面相對活躍的原子數(shù)量與顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原子數(shù)量的比例大大增加，使得材料的性質(zhì)發(fā)生了意想不到的變化。納米材料學(xué)第25頁/共83頁26陶瓷材料具有堅(jiān)硬、耐高溫等優(yōu)良特性，工業(yè)界一直認(rèn)為陶瓷是未來汽車、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。陶瓷材料在通常情況下呈脆性；由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。納米陶瓷第26頁/共83頁27

具有未來超級纖維之稱的碳納米管是當(dāng)前材料研究領(lǐng)域中非常熱門的納米材料，它是一種由碳原子組成的、直徑只有幾個(gè)納米的極微細(xì)的纖維管。碳納米管具有極其奇特的性質(zhì)：它的強(qiáng)度比鋼高100倍，但是重量只有鋼的六分之一；它的導(dǎo)電性十分怪異.不同結(jié)構(gòu)碳納米管的導(dǎo)電性可能呈現(xiàn)良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、甚至絕緣體。因此它也許能成為納米級印刷電路的材料。碳納米管可能做成納米開關(guān)，或者做成極細(xì)的針頭用于給細(xì)胞“打針”等等。碳納米管第27頁/共83頁28太空升降機(jī)

由于碳納米管的強(qiáng)度高、重量輕，如果把它做成“太空電梯”纜繩，使纜繩的長度是從同步軌道衛(wèi)星下垂到地面的距離，它也完全可以經(jīng)得住自身的重量。到那個(gè)時(shí)候，人類到太空旅行將是一件輕而易舉的事情。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。第28頁/共83頁29納米壁掛電視

用納米有機(jī)發(fā)光材料制作的電視屏幕可以象一幅圖畫一樣卷起來帶走。納米有機(jī)發(fā)光材料的特點(diǎn)是材料既具有柔性，同時(shí)可以在電場的作用下發(fā)出各種顏色的光。用碳納米管制成電子槍,可點(diǎn)亮新一代平面顯示屏。

第29頁/共83頁30納米固體燃料

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米銅和鋁一遇到空氣就會(huì)激烈燃燒，發(fā)生爆炸，可以作為未來的固體燃料使火箭具有更大的推動(dòng)力。

第30頁/共83頁31納米隱身飛機(jī)

在飛機(jī)外表面涂上納米超微粒材料,可以有效吸收紅外光和電磁波，這就使得紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。美國F117隱形轟炸機(jī)機(jī)美國B2隱形轟炸機(jī)第31頁/共83頁32納米機(jī)械學(xué)

車、鉗、刨、銑等機(jī)械加工過程必然要去掉一些下腳料，造成浪費(fèi)。而納米制造技術(shù)則是以相反的方向，直接由原子、分子來完整地構(gòu)造器件?？茖W(xué)家們已經(jīng)用原子、分子操縱技術(shù)、納米加工技術(shù)、分子自組裝技術(shù)等新科技制造了納米齒輪、納米電池、納米探針、分子泵、分子開關(guān)和分子馬達(dá)等。第32頁/共83頁33分子自組裝

兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小，納米機(jī)械必須具有自組裝、自我復(fù)制等功能。由碳納米管制作的納米齒輪模型，納米齒輪上的原子清晰可見。納米齒輪第33頁/共83頁34分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動(dòng)蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動(dòng)。以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運(yùn)動(dòng)，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。ATP酶（分子馬達(dá)）ATP酶（adenosinetriphosphatase）可催化ATP水解生成ADP及無機(jī)磷的反應(yīng)，這一反應(yīng)放出大量能量，以供生物體進(jìn)行生命過程第34頁/共83頁35納米直升機(jī)

美國康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)電設(shè)備--“納米直升機(jī)”。其中的生物分子組件將人體的生物“燃料”ATP轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈，利用這個(gè)能量它們可以在人的細(xì)胞內(nèi)“飛翔”和“著陸”。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù)。第35頁/共83頁36美國朗訊科技公司和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家用DNA（脫氧核糖核酸）制造出了一種納米級的鑷子，每條臂長只有7nm

。利用DNA基本元件堿基的配對機(jī)制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復(fù)開合。利用它將可以制造出分子大小的電子電路，使未來的計(jì)算機(jī)體積更小，運(yùn)算速度更快。匪夷所思的DNA鑷子

如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機(jī)械就容易多了。第36頁/共83頁37

用極微小部件組裝一輛比米粒還小,能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車、微型車床，可望鉆進(jìn)核電站管道系統(tǒng)檢查裂縫；只有蜜蜂大小且能升空的直升機(jī)，眼睛幾乎看不見的發(fā)動(dòng)機(jī)；提供化工使用的火柴盒大小的反應(yīng)器；馳騁未來戰(zhàn)場上的納米武器，如麻雀衛(wèi)星、螞蟻士兵、蚊子導(dǎo)彈、蒼蠅飛機(jī)、間諜草等。

納米機(jī)械產(chǎn)品第37頁/共83頁38第38頁/共83頁39“麻雀衛(wèi)星”

質(zhì)量不足10千克，各種部件全部用納米材料制造，一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆。若在太陽同步軌道上等間隔地部署648顆功能不同的“麻雀衛(wèi)星”，就可以保證在任何時(shí)刻對地球上任何一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，即使少數(shù)失靈，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作也不會(huì)受影響。第39頁/共83頁40納米生物學(xué)

納米生物學(xué)的產(chǎn)生是與掃描探針顯微鏡（SPM）的發(fā)明和在生命科學(xué)中的應(yīng)用分不開的。生命過程是已知的物理、化學(xué)過程中最復(fù)雜的過程。納米生物學(xué)是從微觀的角度來觀察生命現(xiàn)象、并以對分子的操縱和改性為目標(biāo)的。

第40頁/共83頁41生物學(xué)家在納米生物學(xué)領(lǐng)域提出了許多富有挑戰(zhàn)性的新觀念，如生物器件。它的特點(diǎn)是象遺傳基因分子那樣具有自我復(fù)制功能。這樣一來，可以利用納米加工技術(shù)，按照分子設(shè)計(jì)的方法合成、復(fù)制成各種用途的生命零件，利用生物零件可以組裝具有生物智能、運(yùn)算速度更快的生物計(jì)算機(jī)；具有特定功能的納米生物機(jī)器人；生物零件與無機(jī)材料或晶體材料結(jié)合可以制成具有生命功能的納米電路等。第41頁/共83頁42右圖為科學(xué)家幻想的人體中的血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一起的情景。人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個(gè)部分輸送氧分子，如果身體的某些部分缺氧，那部分就會(huì)感到疲勞。畫中的藍(lán)色小球（納米人造細(xì)胞）稱為呼吸者，它們不僅具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，而且本身裝有納米計(jì)算機(jī)、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時(shí)將無用的二氧化碳帶走。第42頁/共83頁43

由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的游動(dòng)，對于象腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。納米仿生機(jī)器人可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)等工作

納米生物機(jī)器人在疏通血管

第43頁/共83頁44

用納米材料制成的人工眼球，不僅可以象真的眼睛一樣同步移動(dòng)，也能通過電脈沖刺激大腦神經(jīng)，看到精彩的世界。第44頁/共83頁45“納米生物導(dǎo)彈”專門對付癌癥，這一針對癌癥的超細(xì)納米藥物，能將抗腫瘤藥物連接在磁性超微粒子上，定向射向癌細(xì)胞，并把它們?nèi)珰?。TreatingDisease:

Nanoparticleswoulddelivertreatmentstospecificallytargetedsites,includingplacesthatstandarddrugsdonotreacheasily.Forexample,goldnanoparticles(spheres)thatweretargetedtotumorsmight,whenhitbyinfraredlight,heatupenoughtodestroythegrowths.第45頁/共83頁46納米細(xì)胞修復(fù)器用于修復(fù)細(xì)胞內(nèi)的各種病變，如線粒體、細(xì)胞核的病變；第46頁/共83頁47如果按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為三類：

(1)

零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；

(2)

一維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管、納米帶等；

(3)二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。

二、納米材料的概念和分類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或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。第47頁/共83頁48示意圖第48頁/共83頁49納米材料大部分都是由人工制備的，屬于人工材料，但是自然界中早就存在納米微粒和納米固體。例如天體的隕石碎片，人體和獸類的牙齒都是由納米微粒構(gòu)成的。而浩瀚的海洋就是一個(gè)龐大超微粒的聚集場所。由于這些單元往往具有量子性質(zhì)，所以對零維、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。

第49頁/共83頁50Agnanosphereparticles

(10nm)零維CdSnanocrystals(3.8nm)第50頁/共83頁51零維InSenanocrystals(7.5nm)第51頁/共83頁52一維Diameter:57nmLength:400nmPbCrO4nanorodsVO2nanorodsDiameter:40-60nmLength:1-2um第52頁/共83頁53一維Ag2SenanowiresDiameter:30-40nmLength:~50um第53頁/共83頁54一維ZnOnanotubesOuterdiameter:80nmWallthickness:

20nm第54頁/共83頁55一維CdSnanobeltsWidth:severaltenstoseveralhundredsofnanometers

Thickness:60nmLength:severaltenstoseveralhundredsofmicrometers;someofthemevenhavelengthsontheorderofmillimeter.第55頁/共83頁56二維Al2O3porousfilmPorousdiameter:70nm第56頁/共83頁57二維Co(OH)2

hexagonalnanoplateletsα-Co(OH)2β-Co(OH)2Width:severalmicrometers

Thickness:15nmNote:Theinsetsshowbottlesofthesuspensionsobtainedbydispersingtheplateletsinethanol.第57頁/共83頁58(a)(b)Cu3SnS4nanoshelltubes由基本單元構(gòu)成的納米材料Theindividualnanoshelltubeismadeupofsphericalnanoparticleswithdiameterof20-50nm.第58頁/共83頁59α-Fe2O3urchin-likesuperstructure由基本單元構(gòu)成的納米材料TheseFe2O3nanorodsattachtogetherandassembleinto3Durchin-likesuperstructureswithrod-likecrystallitesradiatingfromthecenter.Theindividualnanorodshaveameandiameterofabout80nm.第59頁/共83頁60PbS3Ddendriticnanostructure由基本單元構(gòu)成的納米材料ThelengthofthetrunkandthediameterofthebranchesofthePbSdendritesisabout2-4umand40-100nm,respectively.第60頁/共83頁61PorousCuInS2microspheres由基本單元構(gòu)成的納米材料Themicrospheresarecomposedofnanosheetswithaveragethicknessof30nm.Thesenanosheetsinterconnnectwitheachothertoformanentanglednetwork-likearchitecturewithirregular-shapedpore.第61頁/共83頁62按化學(xué)組成可分為：納米金屬、納米非金屬、納米塑料、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料等。按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性光學(xué)材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料、納米熱電材料等。按應(yīng)用可分為：納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲(chǔ)能材料等。第62頁/共83頁63三、納米材料的性質(zhì)及應(yīng)用1、特殊的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。鉑黑能吸附大量的氫、氧等氣體，在許多氣體反應(yīng)中可用作催化劑將鉑黑鍍在鉑或金電極的表面上，常用作氫電極或其他氣體電極第63頁/共83頁64金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)1991年春的海灣戰(zhàn)爭，美國F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)外表所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱形目的，成功地實(shí)現(xiàn)了對伊拉克重要軍事目標(biāo)的打擊。第64頁/共83頁652、特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。第65頁/共83頁66金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米顆粒的粉體作為火箭的固體燃料、催化劑。例如,在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加l％重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。第66頁/共83頁67人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。3、特殊的磁學(xué)性質(zhì)第67頁/共83頁68磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為20納米的磁性氧化物顆粒。何為趨磁細(xì)菌？２０世紀(jì)７０年代，美國微生物學(xué)家勃列依克摩爾在大西洋底發(fā)現(xiàn)了一種奇異的細(xì)菌，它們總是沿著地磁場的磁力線運(yùn)動(dòng)。一起行動(dòng)時(shí)，自動(dòng)排成一條條“生物磁力線”，十分美觀。它們決不會(huì)自亂陣腳，勃列依克摩爾就美其名曰“趨磁細(xì)菌”。第68頁/共83頁69a)活的細(xì)菌體內(nèi)完整的磁小體

它們?yōu)槭裁淳哂羞@種特殊的功能呢？經(jīng)美、德、日等國科學(xué)家多年的研究，發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌的細(xì)胞中有一種“磁小體”。每個(gè)磁小體都是一個(gè)被磷脂膜包覆的高純度、納米級、有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的單磁疇小晶體。這些磁小體沿細(xì)胞的長軸排列成鏈狀，使每個(gè)細(xì)菌都成了一個(gè)小小“指南針”，彼此首尾相吸沿著地磁場排列了起來。

b)獲得的磁小體鏈

第69頁/共83頁70小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20納米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6納米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。超順磁性是指當(dāng)磁性粒子的粒徑小于某一臨界尺寸(如Fe3O4<30nm)后,在有外加磁場存在時(shí),表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性.但當(dāng)外磁場撤消時(shí)，無剩磁，不再表現(xiàn)出磁性。矯頑力是指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時(shí)所需的磁場強(qiáng)度（或抹去磁帶上已記錄的編碼信息所需要的磁力）.它是粒子形態(tài)和尺寸的函數(shù)。第70頁/共83頁71

利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。第71頁/共83頁72磁性液體（magneticliquids）是一種液態(tài)的磁性材料。該材料既具有固體的磁性又具有液體的流動(dòng)性。它是由粒徑為納米尺寸（幾個(gè)到幾十個(gè)納米）的磁性微粒，依靠表面活性劑的幫助，均勻分散、懸浮在載液（基液加表面活性劑）中，構(gòu)成的一種固液兩相的膠體混合物，這種材料即使在重力、離心力或電磁力作用下也不會(huì)發(fā)生固液分離，是一種典型的納米復(fù)合材料。

利用超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、磁性傳感器、選礦等領(lǐng)域。原理示意圖磁性液體受磁場作用

第72頁/共83頁734、特殊的力學(xué)性質(zhì)

由于納米材料粒度非常微小,具有良好的表面效應(yīng)，1克納米材料的表面積達(dá)到幾百平方米。因此,用納米材料制成的產(chǎn)品其強(qiáng)度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)越，就象一種有千萬對腳的毛毛蟲，當(dāng)它吸附在光滑的玻璃面上時(shí)，由于接觸面積大，12級臺(tái)風(fēng)有也吹不掉它。第73頁/共83頁74

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性。第74頁/共83頁75

研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。第75頁/共83頁76研究表明納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。對于金屬---陶瓷復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。例如：鈷-碳化鎢納米復(fù)合材料具有高硬、高強(qiáng)特征，可應(yīng)用于集成電路板、微型鉆頭、點(diǎn)陣打印機(jī)打印針頭、耐磨零部件、軍用裝備等方面。第76頁/共83頁775、特殊的電學(xué)性質(zhì)由于納米顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)