納米功能材料及應用

教學內(nèi)容和要求第一章緒論第二章納米粒子的基本性質(zhì)第三章納米粒子的結(jié)構和物理化學性質(zhì)第四章納米粒子的制備方法第五章納米功能材料的制備第六章納米功能材料在航空航天工業(yè)中的應用第七章納米功能材料在能源、化工和環(huán)境保護中的應用第八章納米功能材料在機電中的應用第九章納米功能材料在信息中的應用， 通信應用第10章納米功能材料在生物和醫(yī)學中的應用，納米功能材料和應用，第2頁，課程性質(zhì)，目的和任務性質(zhì)：前沿材料科學目的：拓寬知識和提高創(chuàng)新能力任務：讓學生了解納米功能材料及其工程應用，什么是納米？ 什么是納米技術？為什么人們?nèi)绱酥匾暭{米技術和納米技術？研究納米的基本方法是什么？什么是納米材料？精彩的納米技術和納米材料，什么是納米技術？首先，納米是一個尺度的概念。納米的希臘數(shù)學標度是1納米=10-9納米=10埃。頭發(fā)直徑：50-100米，1納米相當于頭發(fā)的1/50000。氫原子的直徑是1埃，所以1納米等于10個氫原子一個接一個排列的長度。氫原子，什么是納米？概述，跳蚤，毛發(fā)，紅血球，病毒，脫氧核糖核酸，單壁碳納米管，鉑/二氧化鈦粒子，第6頁，10厘米，1厘米，第7頁，100微米，10微米，第8頁，1微米，100納米，第9頁，10納米，1納米，0.1毫米(設備，肉眼)-機械制造，機械，航空航天？(望遠鏡)-天文學，微觀和宏觀-一個相對的概念，一個介于微觀和宏觀之間的“介觀”世界，帶來了一系列的“奇點”和“突變”，導致了納米材料和納米器件的一系列新功能和新現(xiàn)象。所謂的“納米技術”是在0.1-100納米范圍內(nèi)研究原子、分子和其他類型物質(zhì)的運動和變化的科學。與此同時，在這個范圍內(nèi)操縱和處理原子和分子的技術也被稱為納米技術。納米技術：的主要研究內(nèi)容是創(chuàng)造和制備性能優(yōu)異的納米材料，制備各種納米器件和器件來檢測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象，什么是納米技術？人類和動物堅硬牙齒的外表面，即琺瑯，由納米大小的微晶組成。蜜蜂海洋定位中的天體隕石碎片和亞微米膠體粒子：蜜蜂體內(nèi)有磁性納米粒子，具有“指南針”的功能，可以指導蜜蜂的活動。人們過去認為蜜蜂使用北極星或者通過搖擺舞蹈向同伴傳遞信息來辨別方向。最近，英國科學家發(fā)現(xiàn)蜜蜂用圓規(guī)來確定方向。納米材料和納米技術的自然存在，海龜在大西洋中游弋磁性粒子在螃蟹頭上的導航磁性粒子“指南針”定位的雜亂無章的蓮花效應荷葉從淤泥中露出而沒有染色，以及荷葉上有非常復雜的多重納米和微米大小的超微結(jié)構。表面上有許多微小的乳突，平均大小約為10微米，平均間距約為12微米。然而，每個乳突都有許多直徑約200納米的突起。壁虎的每一只腳的檐口都有數(shù)百萬根非常細的剛毛，每根剛毛的末端都有大約400到1000根更細的分枝。這種精細的結(jié)構使得刷毛和物體表面的分子之間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子吸引力。根據(jù)微觀標準，動物和植物是納米機器的組合。這些納米機器被稱為蛋白質(zhì)。而細胞可以說是由這些納米機器組裝而成的微米機器。1857年，法拉第在1861年制備了金納米粒子，1962年膠體化學成立，庫伯從20世紀70年代末到80年代初提出了著名的庫伯理論，并開始了系統(tǒng)的研究。1985年，克羅托和斯馬利等人在7月發(fā)現(xiàn)了C 601909。第一次納米技術會議在美國巴爾的摩舉行。1994年，波士頓舉行的MRS秋季會議正式提出納米材料工程。為什么人們?nèi)绱酥匾暭{米技術和納米技術？在中國古代，蠟燭被用來燃燒和收集碳黑作為墨水的原料(中國古代的書法和繪畫已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年而沒有褪色)，這是最早的納米材料。中國古代銅鏡表面的防銹層被測試為由納米氧化錫顆粒組成的薄膜。古代的劍和其他微晶化增強已經(jīng)被科學地證實。然而，歐冶子當時并不知道這樣做的原因，也不知道納米技術的作用，因為人類肉眼根本看不到納米大小的小顆粒。他們只知道用這種方法制造的工件是好的。中國古代的“納米技術”無意識、人工制備納米材料至少可以追溯到1000年前。1959年12月29日，美國著名物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者費曼在美國物理學會年會上發(fā)表了一篇著名的演講，題為“地球的分裂”。費曼在他的演講中充滿激情地說：“當我們深入到原子的周圍，在原子周圍漫步時，我們會按照不同的規(guī)律運動，我們會遇到許多新的事物，會以全新的方式產(chǎn)生，會完成非凡的工作。如果有一天一個人可以按照自己的意愿排列原子，那會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？“他和我們描述了一幅激動人心的畫面：通過人工操縱單個原子來構建我們需要的特定功能物質(zhì)，就像用原子構建積木一樣！現(xiàn)代納米技術的啟示“底層有很多事要做”。由于光的波長及其相干性，它的極限分辨率約為0.1毫米，用光學顯微鏡看不到納米大小的物體。1932年，德國的羅斯卡發(fā)明了世界上第一臺透射電子顯微鏡，為探索微觀物質(zhì)世界奠定了基礎。從1986年諾貝爾物理學獎到1998年，透射電子顯微鏡的分辨率達到了0.13納米，但是透射電子顯微鏡只能看到原子，不能移動原子。1981年，國際商用機器公司的寧濱和羅爾發(fā)明了基于電子隧道效應的掃描隧道電子顯微鏡，獲得了1986年諾貝爾物理學獎。目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡觀察原子、分子，并直接操縱和排列原子。到目前為止，它有最高的分辨率。Z軸分辨率達到0.01納米，掃描隧道電子顯微鏡-原子操縱，1990年，美國加利福尼亞州國際商用機器公司研究室的艾格勒等人利用掃描隧道顯微鏡在鎳表面排列35個氙原子，成為4K和超真空環(huán)境中最小的國際商用機器商標。這張放大的照片刊登在底層大有可為周刊上，被稱為年度最佳公司廣告。每個字母都有5納米高。Xe原子之間的最短距離約為1毫米。這種原子重定位的方法是將顯微鏡的探針尖端與選定的Xe原子對準，使尖端靠近Xe原子，并使原子間作用力達到Xe原子移動到尖端之后的指定位置而不離開鎳表面的點。通過這種方式，可以排列密集的Xe原子鏈。Xe原子重定位后，實現(xiàn)了分子重定位排列。在鉑單晶表面，吸附的一氧化碳分子被掃描隧道顯微鏡移動和排列，形成一個只有5納米高的世界上最小的人的圖案。用于形成這種圖案的一氧化碳的分子間距離只有0.5納米，這被稱為“一氧化碳惡棍”。同一實驗室的科學家在銅表面排列了48個鐵原子，形成了漢字“原子”。漢字的大小只有幾納米。通過使用掃描隧道顯微鏡的尖端在銅表面上傳送和操縱48個鐵原子以形成一個圓。圓周上原子的一些電子向外傳播并逐漸減少，與同相傳播的電子發(fā)生干涉，形成干涉波。1991年，日本日立研究實驗室在室溫下用掃描隧道顯微鏡(STM)去除二硫化鉬晶體表面的一些原子，用單個原子操縱它們，并以原子孔的形式寫下“和平91”這個詞，每個原子孔的尺寸小于1.5納米。1994年，中國科學院化學研究所和中國科學院北京真空物理研究所利用掃描隧道顯微鏡從單晶硅表面去除硅原子，獲得了硅原子毛澤東(線寬2nm)。在石墨表面雕刻10納米寬的“中國”字。漢字的大小只有幾納米。1988年4月12日，白春禮院士成功研制了中國第一臺計算機控制的短時記憶存儲器。這些技術的突破在高密度信息存儲、納米電子器件、量子阱器件、新材料的形成和物種的重新選擇等方面有著非常重要和廣泛的應用。第31頁，1984年，德國薩爾大學的格雷特教授等人首先采用惰性氣體冷凝法制備表面潔凈的納米金屬粉末，然后在真空室內(nèi)原位加壓成納米固體，并提出納米材料界面結(jié)構模型，制備表面潔凈的納米晶鈀、鐵、銅等塊體材料。后來發(fā)現(xiàn)二氧化鈦納米陶瓷在室溫下表現(xiàn)出良好的韌性，這使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。富勒烯如p 32和C60用激光轟擊石墨靶，用甲苯收集碳團簇，用質(zhì)譜儀分析，發(fā)現(xiàn)由60個碳原子組成的碳團簇豐度最高，通常稱為C60。富勒烯是由純碳組成的一系列原子簇的總稱。它們是共軛烯烴，具有由非平面五元環(huán)、六元環(huán)等組成的中空球形或橢圓形結(jié)構。其中，C60是由20個六元環(huán)、12個五元環(huán)和30個雙鍵(C=C)連接的60個碳原子的橄欖球形中空對稱分子。因此，富勒烯也被稱為“足球烯烴”。1996年諾貝爾獎。富勒烯像磁鐵一樣，具有吸收自由基的特性，可以起到“自由基清除劑”的作用，減少人體因新陳代謝和外界環(huán)境影響而產(chǎn)生的自由基。目前，富勒烯被廣泛使用。除了抗老化和維護之外，富勒烯還在工業(yè)半導體和主要疾病的預防和治療中受到極大關注。富勒烯C80是富勒烯的衍生物。其高穩(wěn)定性、抗自由基、抗氧化、細胞引發(fā)的重組效應以及在醫(yī)學防癌領域的應用受到廣泛關注。第35頁，納米多層薄膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應1988年，法國的菲爾發(fā)現(xiàn)在鐵和鉻多層薄膜中，弱磁場的變化會導致電阻大小的急劇變化，其變化幅度比通常情況高出十倍以上，他把這種效應命名為巨磁電阻效應(GMR)。就在三年前，德國教授格倫伯格在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構中發(fā)現(xiàn)了完全相同的現(xiàn)象。艾伯特費爾和彼得格倫伯格因獨立發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應而獲得2007年諾貝爾物理學獎。-硬盤讀取頭：小巧靈敏-計算機硬盤的存儲密度增加了50倍。1994年，IBM公司成功研制出一種具有巨磁電阻效應的讀取頭，磁盤記錄密度增加了17倍。1995年，有人宣布，用于制造每平方英寸3Gb硬盤表面密度的讀出頭創(chuàng)下了當時的世界紀錄。硬盤容量已從4GB增加到600 GB或更多。納米技術就在你身邊，你正在享受它！2000年1月21日，美國總統(tǒng)克林頓宣布，美國將從2000年10月1日起實施一項新的國家計劃，即國家納米科技計劃(NNI)，并使之成為美國政府當前科研發(fā)展的最高優(yōu)先計劃。據(jù)報道，美國政府在2001年的預算中，在納米技術的研究和發(fā)展上花費了4.95億美元，幾乎增加了一倍。美國總統(tǒng)科技助理寫信給國會說，納米技術，像信息技術或生物技術一樣，將對21世紀的經(jīng)濟、國防和社會產(chǎn)生重大影響，并可能導致下一次工業(yè)革命，這應該是2003年11月，時代獲得通過，這表明納米技術已經(jīng)成為聯(lián)邦的一項主要研發(fā)計劃。從基礎研究和應用研究到研究中心，從基礎設施建設到人才培養(yǎng)，都在全面展開。政府的巨額補貼巨大的機遇和挑戰(zhàn)，第38頁，克林頓說：“我的預算支持一個相對重要的新的國家納米技術倡議，即在原子和分子水平操縱物質(zhì)的能力，價值5億美元。試著想象這些可能性：這種材料的強度是鋼的10倍，而重量只是鋼的一小部分；國會圖書館的所有信息都可以壓縮到一個0.3毫米的硅片上。當腫瘤只有幾個細胞大小時，就能被檢測出來。我們的一些目標可能需要20年或更長時間才能實現(xiàn)，但這正是聯(lián)邦政府在這方面發(fā)揮重要作用的原因?！笨肆诸D的美國國家納米技術倡議的副標題是“領導下一次工業(yè)革命”。IWGN團隊由物理學家、化學家、生物學家和工程師組成，擁有10個納米中心。目標是盡快將納米技術從可行性變?yōu)楝F(xiàn)實。美國2001-2002財政年度NNI預算表，第40頁，2007、2008和2009財政年度NNI預算表，第41頁，日本2000年，鑒于美國政府把納米技術作為國家技術發(fā)展的戰(zhàn)略目標，日本政府不會忘記20世紀美國在發(fā)展信息高速公路方面所表現(xiàn)出的戰(zhàn)略眼光。這一歷史教訓迫使政府將納米技術作為日本未來科學研究的新重點，投資約3.1億美元進行研發(fā)，并建立了一個專門的納米材料研究中心，力爭在這一高科技領域不落后于美國。以納米技術為代表的新材料技術被列為生命科學、信息通信和環(huán)境保護的四個關鍵發(fā)展領域。這項研究的重點是納米材料、高速高密度電子元件和通信用光學存儲器的制造技術和功能。在過去的10年里，西方發(fā)達國家對納米技術的投資以年均25%以上的速度增長，總投資超過100億美元。第43頁，是指在結(jié)構上具有納米級調(diào)制特性的材料。特征尺寸1-100納米(粒度、粒度。晶界寬度、第二相分布、孔徑、缺陷尺寸等。)納米材料具有特定的性質(zhì)變化，具有特殊功能的材料，其組成相或晶粒結(jié)構尺寸被控制在100納米以下，稱為納米材料。也就是說，在三維空間中至少有一維小于100納米的材料或由它們作為基本單元組成的具有特殊功能的材料。“函數(shù)”的概念，即“量子尺寸效應”。什么是納米材料？第44頁，納米材料的分類是什么？零維納米材料一維納米材料二維納米材料三維納米材料，第45頁，0零維納米材料-尺寸小于100納米的顆粒材料。包括粉末材料、納米球、氧化鐵顆粒的高分辨率透射電子顯微鏡照片、第46頁、第1頁和第：頁的具有1-100納米線性直徑的纖維(管)的一維材料。二維材料：是厚度為1-100納米的薄膜。塊體納米材料(由納米材料組裝而成)納米多孔材料(孔徑為納米級)，MCM-41介孔分子篩，第47頁，納米不再是簡單的數(shù)學尺度，這將會給材料的物理和化學性質(zhì)帶來重大變化。納米材料的新特性：當物質(zhì)小到1 100納米(10-910-7m)時，由于其巨大的表面和界面效應，物質(zhì)的許多特性發(fā)生了質(zhì)的變化，呈現(xiàn)出許多奇怪的現(xiàn)象(如量子化效應、非局域量子相干效應、量子漲落和混沌、多體關聯(lián)效應和非線性效應等)。)既不同于宏觀物體，也不同于單獨的孤立原子。(七種主要效應-表面效應、電子能級不連續(xù)效應、量子尺寸效應、小尺寸效應、量子隧穿效應、庫侖阻塞效應、介質(zhì)限制效應)，“自頂向下”技術使用微機械加工和其他方法來