納米材料及其應用

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院1

納米材料及其應用2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院2

主要內(nèi)容納米概念納米科學技術納米材料納米材料的應用2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院3Ⅰ納米概念ⅡⅢⅣ2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院4納米概念2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院5化合物金屬材料半導體和超導材料硅酸鹽材料復合材料納米材料高分子材料2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院6納米（nanometer）是一個長度單位，簡寫為nm。

1nm=10-9m1nm等于10個氫原子一個挨一個排起來的長度。人的一根頭發(fā)絲的直徑相當于6萬個納米。納米是一個極小達到尺寸，但它又代表人們認識上的一個新層次，從微米進入到納米。

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院7納米尺度的概念2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院8跳蚤頭發(fā)紅細胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2

催化劑2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院9花粉是納米級的粒子病毒也是納米級的,３0-100nm.2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院10ⅠⅡ納米科學技術ⅢⅣ2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院11如果一個納米的粒子放在乒乓球上，相當于把一個乒乓球放在地球上。用什么儀器去看納米掃描隧道顯微鏡（英文名稱是ScanningTunnelingMicroscope，簡稱為STM）。STM具有驚人的分辨本領，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院12掃描隧道顯微鏡示意圖2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院13

左圖為單個Xe原子靜置在Ni表面上的情景，右圖為探針“拾”起該原子的情景。此圖分別顯示出相應的兩個狀態(tài)的STM圖像。

圖原子操作過程的STM象2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院14納米科技和納米材料

納米科技是在0.1-100nm的空間內(nèi)，研究物質組成體系的運動規(guī)律和相互作用，以及實際應用中技術問題的科學技術，被世界各國列為21世紀的關鍵技術之一。

納米材料是指用晶粒尺寸為納米級的微小顆粒制成的各種材料，其粒徑為0.1-100nm，納米物質有四大效應：即小尺寸效應、量子效應、表面效應、宏觀量子隧道效應。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院15納米材料的特異性能

科學家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質發(fā)生了質的飛躍。納米黃金變?yōu)楹谏{米鉑（白金）變成鉑黑;納米材料還具有超塑性，室溫下的納米銅絲經(jīng)過軋制，其長度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm；陶瓷在通常情況下是很硬、很脆的，如果采用納米粉體制成納米陶瓷，它也可以具有韌性（“摔不破的陶碗”）；硅晶體是不發(fā)光的，但納米硅卻會發(fā)光；涂有納米涂層的玻璃可以防霧（汽車車窗玻璃）。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院161959年，費曼的預言這是關于納米技術最早的夢想。1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用。1984年，德國研制成功第一個金屬納米材料；1987年，美國研制成功氧化鈦納米材料；1990年，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生；1993年，中國科學院真空物理實驗室，首次操縱原子成功寫出“中國”二字。標志著我國開始在國際納米領域占有一席之地。1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元。納米科技大事記2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院17納米材料的發(fā)展歷史1959年，著名的諾貝爾獎得主理查德·費曼（RichardFeynman）就設想：“如果有一天人們可以按照自己的意志排列原子和分子，那會產(chǎn)生什么樣的奇跡！”，“毫無疑問，如果我們對細微尺度的事物加以控制的話，將大大擴充我們可以獲得物性的范圍”，他首次提出了“納米”材料的概念。

費曼對納米技術的最早夢想，成為一個光輝的起點，人類開始了對納米世界的探求。

今天，納米科技的發(fā)展使費曼的預言已逐步成為現(xiàn)實。納米材料的奇特物性正對人們的生活和社會的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院18掃描隧道顯微鏡的發(fā)明掃描隧道顯微鏡亦稱為“掃描穿隧式顯微鏡”、“隧道掃描顯微鏡”，是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。它于1982年由格爾德·賓寧（G．Binning）及海因里?！ち_雷爾（H．Rohrer）在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明，兩位發(fā)明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院19掃描隧道顯微鏡用“手”觸摸原子/d/200809/c9396cf4-d730-490e-aab2-be48715fae01.shtml2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院20

納米科學技術

下圖所示為超高真空中利用掃描隧道顯微鏡技術，在硅單晶體表面（111）面上移動Si原子而形成“中國”二字字樣。圖超高真空中,用STM技術，移動Si（111）面上的原子形成“中國”字樣2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院21

1994年，中國科學院化學所和中國科學院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法，獲得了（線寬2nm）硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10nm的“中國”字符。漢字的大小只有幾個納米白春禮院士1988年4月12日，中國第一臺計算機控制的STM研制成功。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院221993年后，我國科學家先后操縱原子寫出“中國”、“原子”、繪出中國輪廓圖。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院23用原子寫的“原子”用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個個地排列成漢字，

漢字的大小只有幾個納米。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院24

每個字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準選中的Xe原子、使針尖接近Xe原子、使原子間作用力達到讓Xe原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。

1990年，美國加州的IBM研究室艾格勒等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標。這張放大了的照片登在《時代》周刊上，被稱為當年最了不起的公司廣告。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院251991年，IBM公司的“拼字”科研小組用STM針尖移動吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成了一個大腦袋小人的形象。圖中每個白團是單個一氧化碳分子豎在鉑表面上的圖象，頂端為氧分子，各個分子的間距約0.5nm。這個"分子人"從頭到腳只有5nm高，堪稱世界上最小的人形圖案。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院26原子森林由德國實驗室托斯頓·鄧卓巴拍攝的這一圖像顯示了一片GeSi量子點“森林”，其實，它們只有15納米高，直徑也只有70納米。

藍寶石美國伊利諾斯大學香檳分校的斯科特·麥克拉倫及其同事一同建造了這張精美制作的藍寶石襯底的彈坑圖像。此藍寶石是通過飛秒級激光脈沖擊打其表面而受熱的，在此過程中，藍寶石噴射出原子而留下一個淺淺的彈坑。此晶體經(jīng)再加熱和再次噴射，形成了這里所展示的內(nèi)部深層結構。1飛秒是千萬億分之一秒。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院27

納米線幾種植物的葉子，包括荷花，展現(xiàn)出其自潔特性。這種所謂的“荷花效應”也叫作自清潔效應，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。科學家用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，全是納米級的“疙瘩”。

這些“疙瘩”讓雨水將荷葉清洗干凈，從而讓荷花保持最佳光合作用能力，顯得精神抖擻。這張2微米x2微米圖像顯示一種人造制品在模仿荷花的自清潔效應。此地毯似的一團納米線是由化學汽相淀積處理而成的。當水滴落在此超級不沾水的納米線上時，它們會快速滴落，并帶走納米線上的塵埃。

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院282萬顆黃金微粒繪出太陽圖像納米技術創(chuàng)奇跡

ＩＢＭ公司研究人員在最新一期《自然納米技術》雜志上發(fā)表科研報告說，他們創(chuàng)造出了世界上最小的藝術作品之一——用２萬顆黃金微粒繪出的太陽圖像。這幅太陽圖像取材于一位１７世紀煉金士畫的黃金符號，研究人員以蝕刻方式，用每顆直徑６０納米的黃金微粒在硅晶片上做出了這幅畫。這件作品實現(xiàn)了精度上的突破，預示著未來人們可以制造超微傳感器、透鏡和納米級電路所需的電線。ＩＢＭ公司和其他公司的一些科學家一直致力于超微電路的研制工作，他們不斷提升未來將投入使用的電子元器件的性能。實際上目前最先進的微型處理器所用元件的直徑甚至小于６０納米。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院29在掃描隧道顯微鏡下，科學家將48個鐵原子排列在銅表面上，形成一個圓形圍欄。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院30鐵原子的移動過程2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院31ⅠⅡⅢ納米材料Ⅳ2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院32摔不碎的納米陶瓷強度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米材料

—特性2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院33具有易潔納米涂層的陶瓷納米粒子的親疏水特性2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院34

荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。表面上有許多微小的乳突乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。

蓮花葉子表面的自我潔凈2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院35蓮花葉面表面的結構與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當遠大于該結構的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸狀物形成點的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院36荷葉現(xiàn)象/d/200809/f9df6cc9-819f-48c8-ae63-5d067b157543.shtml2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院37鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，毛與毛之間的隙縫小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。這種結構還極其通氣。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院38壁虎飛檐走壁每只腳底部長著數(shù)百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細的分支。這種精細結構使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。動植物按照微基準來說，就是納米機器的組合體。這些納米機器，就是人們熟知的蛋白質。而細胞則可以說是由這些納米機器在組裝而成的微米機器。

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院39TEM下的納米顆粒納米粉末

納米材料分類2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院40SEM下的納米纖維納米纖維2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院41納米膜

納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院42新型碳基納米材料2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院431991年4月，日本筑波的NEC公司飯島澄男(Iijima)等首次用高分辨透射電鏡觀察到了多壁碳納米管(Multi-WalledCarbonNanotube)。這些碳納米管是多層同軸管，也叫巴基管(Buckytube)。1993年又發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管(Single-WalledCarbonNanotube)。新型碳基納米材料：碳納米管(carbonnanotube)2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院44Schematicofasingle-walledcarbonnanotube(SWNT)Schematicofamulti-walledcarbonnanotube(MWNT)

與MWNTs相比，SWNTS是由單層圓柱型石墨層構成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院45碳納米管nanotube碳納米管是一種長度和直徑之比很高的纖維。它韌性極高，兼具金屬性和半導體性，強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6?？茖W家們已經(jīng)研制成功了世界上最小的碳管，他們認為這將是最細和最穩(wěn)定的納米碳管。這種小小的圓柱體直徑僅為0.4納米。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院461970年，法國奧林大學Endo用氣相生長技術制成了直徑為7nm的碳纖維，但未進行細致的表征。幾乎同時，莫斯科化學物理研究所的研究人員也獨立地發(fā)現(xiàn)了碳納米管和納米管束，但是這些碳納米管的縱橫比很小。1996年，美國著名的諾貝爾獎金獲得者斯莫利(Smalley)等合成了成行排列的單壁碳納米管束(bundle)，每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑分布很窄。我國中國科學院物理研究所解思深等人實現(xiàn)了碳納米管的定向生長，并成功合成了超長(毫米級)納米碳管。

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院47碳納米管的性質和應用電學性質碳納米管的性質強烈依賴于直徑和手性，直徑越小，電子的狀態(tài)與sp2差別越大，表現(xiàn)的量子效應越明顯。美國C.T.White教授計算得出[n-m]=3q（q為整數(shù)),碳管為金屬性。其他情況表現(xiàn)半導體性，并且禁帶寬度正比于碳管直徑的倒數(shù)。單臂納米管為金屬性，鋸齒形、手性碳管部分為金屬，部分為半導體性。隨著半導體納米管直徑增加，帶隙變小，在大直徑情況下，帶隙為零，呈現(xiàn)金屬性質。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院48碳納米管纖維紡織技術2004年11月19日美國《科學》周刊306卷2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院49單壁納米管的生長2004年11月19日美國《科學》周刊306卷2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院50碳納米管獨特的力學性質：碳納米管的強度比鋼高100多倍，楊氏模量估計可高達5TPa，(測量報道1.28±0.59)這是目前可制備出的具有最高比強度的材料，而比重卻只有鋼的1/6，延伸率為百分之幾，具有好的可彎曲性，單壁納米碳管可承受扭轉形變并可彎成小圓環(huán)，應力卸除后可完全恢復到原來狀態(tài)；壓力不會導致碳納米管的斷裂。用作復合材料的增強劑。碳納米管的強度測量2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院51具有極好的可彎折性0304560902023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院52具有極好的可扭曲性2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院53碳納米管儲氫碳納米管由于其管道結構及多壁碳管之間的類石墨層空隙，成為最有潛力的儲氫材料，用于發(fā)展納米管燃料電池。美國國立可再生能源實驗室采用程序控溫脫附儀測量單壁納米碳管的載氫量，從實驗結果推測在130K、4×104Pa條件下的載氫量為5wt％一10wt％，并認為SWNT是唯一可用于氫燃料電池汽車的儲氫材料。這是世界上關于碳納米管儲氫的第一篇報道。

Nature．1997．386(27)377—379H2原子和C納米管2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院54用納米碳管建成的地月載人電梯構想圖2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院55微型奧巴馬頭像是由美國密歇根州大學機械工程系教授約翰·哈特（JohnHart）制造的，他稱該微型頭像為“納米奧巴馬”，這種立體逼真頭像竟比鹽粒還要小。每個納米奧巴馬頭像包含著1.5億個碳納米管，這些碳納米管像叢林中的樹木一樣垂直地排列著，每個碳納米管都是中空圓柱體結構，其直徑僅為人體頭發(fā)的五萬分之一。據(jù)稱，哈特制造這件“納米藝術品”的目的在于讓更多人體驗納米技術的魅力所在。

哈特說：“‘納米奧巴馬’頭像是以一種獨特的方式向公眾呈現(xiàn)納米技術概念，同時，它將帶給人們更多的樂趣?！睘榱藙?chuàng)建“納米奧巴馬”頭像，他們采用了畫家謝潑德·費爾雷（ShepardFairey）繪制的頗受歡迎的紅、白、藍色調構成的奧巴馬素描頭像，哈特將這個素描頭像進行縮小，并使用激光建立一個模板打印在一個玻璃板上。照射紫外線穿過這個玻璃板模具，投影在一張硅薄片上形成相應的頭像。然后他們在這個頭像圖形的基礎上生成碳納米管，在制造碳納米管時采用了高溫化學反應。

之后研究人員使用電子顯微鏡對納米奧巴馬頭像進行了拍照，其頭像僅有0.5毫米大小。除了制作納米藝術品之外，碳納米管還可以用于制造太陽能電池，新型診斷和治療疾病的方法，新一代計算機處理器和內(nèi)存，以及更結實的輕型材料。

2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院56此雙壁碳納米管納機電系統(tǒng)用于測量單個金原子質量

美國每日科學網(wǎng)報道，美國加州大學伯克利分校和伯克利實驗室的研究人員通過打造世界首個全功能性的納米管裝置，成功建造了一個可以給金原子稱重的納機電系統(tǒng)(NEMS)。此項研究負責人物理學家亞歷克斯·澤特爾；此成果發(fā)表在最新出版的《自然-納米技術》雜志上。

此新式納機電系統(tǒng)質量傳感器由單個碳納米管組成，有雙層壁，具有全部電子特性，且硬度增加了。碳納米管的一端可自由活動，而另一端入則連接在一個電極上，且距離相對的電極相當近。來自電池或太陽能電池上的直流電源與這對電極相連，導致它以某種波動的共振頻率振動。當一個原子或分子被存放在此碳納米管上面時，此碳納米管的共振頻率就會因此原子或分子的質量而改變，類似于不同體重的跳水運動員會改變跳水板的共振頻率一樣。此研究小組成員肯尼思·延森說："讓碳納米管振動很簡單，難的就是探知其振動的微小變化。我們通過磁場發(fā)射或噴霧讓它產(chǎn)生了振動，并探測到此碳納米管一端的電流變化。"利用此納機電系統(tǒng)質量傳感器，澤特爾小組對單個金原子稱了重量，其質量為3.25x10^25千克。這意味著大約3億億億個金原子才能達到1千克。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院57神奇的納米世界

單根碳納米彈簧

靚麗的納米世界2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院582023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院59

酷似大力神杯的硅納米結構

掃描隧道顯微鏡下的納米團簇2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院602023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院61納米皇冠2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院62ⅠⅡⅢⅣ納米材料的應用2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院63納米算盤

C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。

納米神算子——分子算盤科學家把碳60分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺階排列的。

納米材料應用2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院64納米齒輪納米軸承2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院65世界上最小的汽車——僅4nm2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院662010年1月6日，美國萊斯大學的科學家表示，他們開發(fā)出了寬度僅為人體頭發(fā)直徑1/50000的“納米賽車”，其性能超過了過去人們研發(fā)的同類“納米車”。研究人員認為，新開發(fā)的“納米賽車”有望加快人們獲得未來新一代分子機器的步伐。相關研究成果發(fā)表在近日出版的美國化學會《有機快報》雙周刊上。2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院67華裔教授王中林

在原子力顯微鏡的幫助下，美國佐治亞理工學院王中林小組利用豎直結構的氧化鋅（ZnO）納米線的獨特性質，發(fā)明了能將機械能轉化為電能的世界最小的發(fā)電裝置——直立式納米發(fā)電機。2006年圖：(a)低倍掃描電子顯維照片顯示兩個互相纏繞的、表面長有氧化鋅納米線陣列的纖維，其中一個鍍有金。(b)高倍掃描電子顯維照片顯示兩纖維界面處的納米線對納米線結構。(c)顯示多根纖維組成的纖維納米發(fā)電機的串/并連式連接來提高輸出電壓/電流。(圖片來源：王中林實驗室)

世界上最小的發(fā)動機-納米發(fā)動機2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院68]神奇“納米球”發(fā)動機的微觀世界/show/Z5QmGoUY-zARvsMAgFTjLA...html2023/10/7臺州學院醫(yī)藥化工學院69

2007年超聲波驅動式直流納米發(fā)電機：超聲波帶動的直流納米發(fā)電機的設計原理和輸出的直流電流。電流隨超聲波的激發(fā)而起，停止而