功能材料課件系列：納米材料

第11章納米材料

第11章納米材料1到底什么是納米（nano-）？納米一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1納米=10-9米。InGreek,“nano”meansdwarfHowsmallis1nanometer?到底什么是納米（nano-）？納米一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1納米2納米材料的定義三維尺度至少有一個(gè)維度處于納米級(jí)水平(1-100nm)的材料或由其作為基本單元所構(gòu)成的材料；納米技術(shù):在納米尺度上對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究處理的技術(shù)稱(chēng)為納米技術(shù)。其最終目的是實(shí)現(xiàn)用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)。納米材料的定義三維尺度至少有一個(gè)維度處于納米級(jí)水平(1-103納米材料的分類(lèi)按其定義可將其分為4類(lèi)：維度指非納米尺度的維度。納米材料的分類(lèi)按其定義可將其分為4類(lèi)：維度指非納米尺度的維度4納米科技的意義（1）納米科學(xué)對(duì)基礎(chǔ)理論的完善作用我們已經(jīng)確定，材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能為其三要素，三者存在某種聯(lián)系；過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，為了探究材料結(jié)構(gòu)理論及其內(nèi)部機(jī)理，科研人員總是盡可能的制備、尋求理想材料(低缺陷的，純凈的材料)，其目的是使結(jié)構(gòu)缺陷接近為零，從而忽略缺陷對(duì)材料性能的影響，使理論模型簡(jiǎn)單化(缺陷為零，相當(dāng)于少了一個(gè)影響因素)；為此制備工藝常需要超真空、超高(低)溫、失重等條件。實(shí)際材料結(jié)構(gòu)當(dāng)中必然是有缺陷的，因此過(guò)去的研究無(wú)疑是在尋求一種極端的條件，現(xiàn)在人類(lèi)的研究開(kāi)始向另一個(gè)極端轉(zhuǎn)變：納米材料

納米結(jié)構(gòu)可看成完全的缺陷態(tài)，研究該狀態(tài)下材料的結(jié)構(gòu)性能，有利于完善缺陷和材料性能的理論。納米科技的意義（1）納米科學(xué)對(duì)基礎(chǔ)理論的完善作用5

(2)納米技術(shù)的應(yīng)用必將引發(fā)一場(chǎng)新的革命納米技術(shù)的應(yīng)用使人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到了一個(gè)新的高度。1）可以將國(guó)會(huì)圖書(shū)館的信息都存儲(chǔ)在一塊方糖大小的存儲(chǔ)器上。

2）可以檢測(cè)出幾個(gè)癌細(xì)胞。

-------克林頓很顯然這些我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并比這做的還要好。(2)納米技術(shù)的應(yīng)用必將引發(fā)一場(chǎng)新的革命6許多人認(rèn)為納米科技僅僅是遙遠(yuǎn)的未來(lái)基礎(chǔ)科學(xué)的事情,而沒(méi)有什么實(shí)際意義。但我確信納米科技現(xiàn)在已具有與此同時(shí)150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前,微米成為新的精確標(biāo)準(zhǔn),并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ),最早和最好學(xué)會(huì)并使用微米技術(shù)的國(guó)家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢(shì)。同樣,未來(lái)的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn),并首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家。我們應(yīng)當(dāng)記住,微米技術(shù)曾同樣被認(rèn)為對(duì)使用牛耕地的農(nóng)民無(wú)關(guān)緊要。的確,微米與牛毫無(wú)關(guān)系,但它卻改變了耕作方式,帶來(lái)了拖拉機(jī)。

---H.Rohrer,IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室,1993年。許多人認(rèn)為納米科技僅僅是遙遠(yuǎn)的未來(lái)基礎(chǔ)科學(xué)的事情,而沒(méi)有什么7二、納米材料的奇異性能結(jié)構(gòu)決定性能，而材料結(jié)構(gòu)又取決于工藝四大特點(diǎn):尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大四大效應(yīng):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)。二、納米材料的奇異性能結(jié)構(gòu)決定性能，而材料結(jié)構(gòu)又取決于工藝8小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)9當(dāng)顆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)度或透射深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，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的物理性質(zhì)的變化稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。當(dāng)顆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)度或透10納米粒子的表面原子所占的比例隨粒徑變小而急劇增大，比表面積顯著增加，表面原子因具有不飽和鍵結(jié)構(gòu)而具有很高的活性，表面能很高，致使顆粒具有與宏觀塊體材料不一樣的性能。表面效應(yīng)拐點(diǎn)納米粒子的表面原子所占的比例隨粒徑變小而急劇增大，比表面積顯11比表面積：物體的表面積與體積之比，該數(shù)據(jù)對(duì)納米材料的性質(zhì)具有重要影響。比表面積與粒徑：隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說(shuō)明表面原子所占的百分比將會(huì)顯著增加。例如，直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，而當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分比急劇增長(zhǎng)。甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100平方米，這時(shí)的表面效應(yīng)不能忽略。1g粉筆磨成納米粉體，可把我們的教室全部涂白比表面積：物體的表面積與體積之比，該數(shù)據(jù)對(duì)納米材料的性質(zhì)具有12納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)，而半導(dǎo)體材料的能隙將變寬。量子尺寸效應(yīng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)13宏觀量子隧道效應(yīng)隧道：明明有障礙物無(wú)法通行，但卻可以忽略障礙物通行無(wú)阻。宏觀量子隧道效應(yīng)隧道：明明有障礙物無(wú)法通行，但卻可以忽略障礙14隧道效應(yīng)：又稱(chēng)勢(shì)壘貫穿，是由微觀粒子的波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)。粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到一個(gè)高于粒子能量的勢(shì)壘，按照經(jīng)典力學(xué)，是不可能越過(guò)勢(shì)壘的；按照量子力學(xué)則除了在勢(shì)壘處的反射外，還有透過(guò)勢(shì)壘的波函數(shù)，這表明在勢(shì)壘的另一邊，粒子具有一定的概率，粒子貫穿勢(shì)壘。隧道效應(yīng)：又稱(chēng)勢(shì)壘貫穿，是由微觀粒子的波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)15理論計(jì)算表明，對(duì)于能量為幾個(gè)電子伏的電子，方勢(shì)壘的能量也是幾電子伏，當(dāng)勢(shì)壘寬度為1埃時(shí)，粒子的透射概率達(dá)零點(diǎn)幾；而當(dāng)勢(shì)壘寬度為10埃時(shí)，粒子透射概率減小到10-10，已微乎其微?？梢?jiàn)隧道效應(yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng)，對(duì)于宏觀現(xiàn)象，實(shí)際上不可能發(fā)生。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)納米器械中的一些宏觀物理量，如磁化強(qiáng)度、磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱(chēng)之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。理論計(jì)算表明，對(duì)于能量為幾個(gè)電子伏的電子，方勢(shì)壘的能量也是幾16由四大效應(yīng)引起的奇特物理性能特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性能特殊的力學(xué)性能特殊的磁學(xué)性能由四大效應(yīng)引起的奇特物理性能特殊的光學(xué)性質(zhì)17光學(xué)性能當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即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)都呈黑色。尺寸越小，顏色愈黑。原因：超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于1％，大約幾微米的厚度就能完全消光。吸收帶藍(lán)移現(xiàn)象由量子尺寸效應(yīng)可知，金屬納米顆粒的能帶由連續(xù)向離散態(tài)轉(zhuǎn)變，半導(dǎo)體的禁帶寬度變寬。所以吸收的能量變高，譜線(xiàn)向短波方向移動(dòng)－藍(lán)移。光學(xué)性能當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富18熱學(xué)性能固態(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)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃；原因：納米顆粒高的表面能決定的。熱學(xué)性能固態(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19磁學(xué)性能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2×10-2微米以下時(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6×10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。原因：外場(chǎng)產(chǎn)的磁取向力太小而無(wú)法抵抗熱擾動(dòng)的干擾，致其磁化性質(zhì)與順磁體相似。熱能為玻耳茲曼常數(shù)與溫度的乘積，熱能隨溫度升高而增強(qiáng)；而磁能的大小取決于磁力大小和粒子體積，由于使用材料一定，磁力就一定，因此磁性顆粒的磁能將隨粒度的縮小而降低。若繼續(xù)降低磁性顆粒的體積，以至于磁能低于熱能，則室溫下就可以讓磁性顆粒的極性從有序變成無(wú)序，導(dǎo)致小磁極的整體極性消失。

磁性顆粒變成超順磁性的臨界尺寸與溫度有關(guān)，室溫時(shí)鐵粒的臨界大小為12.5納米，而在4.2K時(shí)半徑為2.2納米的鐵粒還是鐵磁性的。磁學(xué)性能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20力學(xué)性能陶瓷材料在通常情況下呈脆性，而納米陶瓷卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，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，從而導(dǎo)致應(yīng)力擴(kuò)散，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。力學(xué)性能陶瓷材料在通常情況下呈脆性，而納米陶瓷卻具有良好的韌21美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，且不容易掰斷，也是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎22納米材料

之一：碳納米管分類(lèi)：?jiǎn)螌佣鄬?同心管狀結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)：層內(nèi)結(jié)構(gòu)與石墨相似，呈六元環(huán)；管徑為納米級(jí)，管長(zhǎng)可達(dá)毫米級(jí)；制備：多為激光轟擊石墨而得；可能機(jī)理：石墨在特殊刺激下，平面結(jié)構(gòu)卷曲成核而得。性能：導(dǎo)電性強(qiáng)、強(qiáng)度高、韌度好。納米材料

之一：碳納米管分類(lèi)：?jiǎn)螌?3碳納米管的應(yīng)用－彈簧

莫斯科大學(xué)的研究人員為了研究納米管的受壓強(qiáng)度，將少量納米管置于1900Kpa的水壓下(相當(dāng)于水深18000米)做實(shí)驗(yàn)。不料未到預(yù)定壓力的1/3，納米管就被壓扁了。他們馬上卸去壓力，它卻像彈簧一樣立即恢復(fù)了原來(lái)形狀。應(yīng)用：科學(xué)家得到啟發(fā)，發(fā)明了用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧，用作汽車(chē)或火車(chē)的減震裝置，可大大減輕車(chē)輛的重量。碳納米管的應(yīng)用－彈簧莫斯科大學(xué)的研究人員為了24碳納米管應(yīng)用：場(chǎng)發(fā)射顯示器優(yōu)點(diǎn)：與CRT比：體積小電壓低能耗低與LCD比：無(wú)需背光亮度高無(wú)視角問(wèn)題應(yīng)答速度快使用溫度廣(-40～80℃)碳納米管應(yīng)用：場(chǎng)發(fā)射顯示器優(yōu)點(diǎn)：25碳納米管應(yīng)用：人造衛(wèi)星拖繩繩系衛(wèi)星：靈感源泉來(lái)于放風(fēng)箏，收放自如。拖繩：用于連接飛行器和衛(wèi)星的繩索。太空發(fā)電：飛行器繞地心飛行，導(dǎo)體的拖繩切割地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)，可成為一臺(tái)發(fā)電機(jī)，不僅可為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不被燒毀。碳納米管應(yīng)用：人造衛(wèi)星拖繩繩系衛(wèi)星：26碳納米管儲(chǔ)氫H2物理吸附儲(chǔ)氫吸附量與表面積成正比關(guān)系可達(dá)到很高的儲(chǔ)氫密度6.5Wt％碳納米管儲(chǔ)氫H2物理吸附儲(chǔ)氫27結(jié)構(gòu)：中空球體，類(lèi)似足球，故名足球烯，由五邊形和六邊形構(gòu)成。制備：石墨經(jīng)激光、電弧等強(qiáng)高溫加熱，或在一定的催化劑(鐵基和鎳基)下，碳原子能形成C60分子。納米材料之二：碳納米球結(jié)構(gòu)：中空球體，類(lèi)似足球，故名足球烯，納米材料之二：碳納米28碳60的超導(dǎo)性C60為絕緣體，但引入堿金屬、堿土金屬原子后，可得到各向同性的超導(dǎo)性，為有機(jī)超導(dǎo)體。臨界溫度僅有8K，但卻開(kāi)辟了超導(dǎo)材料的一個(gè)新領(lǐng)域－有機(jī)超導(dǎo)材料有機(jī)分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可變性高，故專(zhuān)家預(yù)言高溫超導(dǎo)材料有望在有機(jī)材料中實(shí)現(xiàn)。碳60的超導(dǎo)性C60為絕緣體，但引入堿金屬、堿土金屬原子后，29納米材料之三

納米陶瓷韌性陶瓷(納米陶瓷)指顯微結(jié)構(gòu)具有納米數(shù)量級(jí)水平的陶瓷材料，包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都是納米量級(jí)。性能特點(diǎn)納米陶瓷晶粒細(xì)化，有助于晶間的滑移，從而導(dǎo)致了超塑性，大大改善陶瓷的脆性；材料中的氣孔和其他缺陷尺寸減小，當(dāng)這些尺寸小到一定程度時(shí)，對(duì)宏觀特性的影響就很小，因此納米陶瓷可實(shí)現(xiàn)少缺陷甚至無(wú)缺陷的陶瓷，其力學(xué)性能高出一籌；顆粒細(xì)小，晶界及表面能大，使得陶瓷的燒成溫度大大降低。納米材料之三

納米陶瓷韌性陶瓷(納米陶瓷)30納米材料之四

納米塑料定義即工程塑料，只有納米材料完全分散到塑料中成為納米相形態(tài)并產(chǎn)生出相應(yīng)效應(yīng)的材料才叫納米塑料。納米材料之四

納米塑料定義31其他納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用納米微粒型催化劑催化性能顯著增強(qiáng)量子海市蜃樓其他納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用納米微粒型催化劑催化性能顯著增強(qiáng)32經(jīng)光的折射形成的“幻象”海市蜃樓經(jīng)光的折射形成的“幻象”海市蜃樓33數(shù)十個(gè)鈷原子在金屬銅表面排列成橢圓形的“柵欄”，后將一個(gè)磁性鈷原子置于該橢圓“柵欄”的一個(gè)焦點(diǎn)，另一焦點(diǎn)處空余；實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)，在第二個(gè)焦點(diǎn)處銅表面電子的電子態(tài)產(chǎn)生了變化，仿佛該位置上也存在一個(gè)真正的磁性鈷原子。這可看作在第二個(gè)焦點(diǎn)上出現(xiàn)了另一焦點(diǎn)磁性鈷原子的“海市蜃樓”。他們比喻說(shuō)，這一效應(yīng)有點(diǎn)類(lèi)似回音壁，在