纳米材料及纳米技术的应用课件.ppt
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1、关于纳米材料及纳米技术的应用现在学习的是第1页,共48页纳米技术的简介“纳米”是英文Nanometer的译音,是一种计量单位(符号为nm),1nm为106mm,约与相当于45个原子串起来那么长。纳米科学是指人们研究纳米尺度即0.1100nm范围之内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。纳米技术是指在此基础上创造新材料,研究新工艺的方法和手段。纳米技术包括纳米材料、纳米器件、纳米生物医学等三大块。按目前的研究领域,大致可分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米制造、纳米光学等等。现在学习的是第2页,共48页纳米技术的发展史1965年,诺贝尔物理学奖获得者费曼(R.P.Feynman)首次提
2、出“纳米材料”的概念。1982年扫描隧道显微镜发明后,便诞生了一门以纳米长度为研究的分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特殊功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子创造物质的技术。纳米科学技术正式“开宗立派”是在1990年。现在学习的是第3页,共48页纳米材料的简介在纳米材料发展初期,纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义的纳米材料是指在三维空间中到少有一堆处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。通俗的说,纳米材料是指由纳米的单元构成的任何类型的材料。如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等。通过控制这些纳米级结构单元的大小,控制内
3、部和表面的化学性质,控制它们的组合,就能以前所未有的方法认为设计材料的特性和功能。现在学习的是第4页,共48页如果按维度,纳米材料的基本单元可以分为三类:a.零维,指在空间三维尺寸均在纳米尺度。如纳米尺度颗粒、原子团族等;b.一维,指在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等;c.二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度。如超薄膜、多薄膜、超晶格等。纳米材料大部分都是人工制备的,属于人工材料,但是自然界早就存在纳米微粒和纳米固体。例如,天体的陨石碎片,人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。现在学习的是第5页,共48页纳米材料的基本性质体积效应。是指纳米微粒尺寸减少,体积缩小,粒子内的原子
4、数减少而造成的效应。它能使磁性、内压、光吸引、热阻、化学活性、催化性及熔点等比普通粒子变大。表面与界面效应。纳米微粒表面原子与总原子数之比,随纳米微粒尺寸的减少而大幅增加,粒子的表面能及表面张力也随之增加,从而引起纳米材料性质的变化。例如,一些氧化物、氮化物和碳化物的纳米微粒对红外线有良好的吸收和发射作用,对紫外线有良好的屏蔽作用。现在学习的是第6页,共48页(3)量子尺寸效应(这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等)(4)宏观量子隧道效应(5)介电限域效应现在学习的是第7页,共48页纳米材料的特殊性质光学性质:纳米材料具有比普通晶体较强的吸收光和发散光的能力,其粒径
5、越小,吸光和发光的能力就越强,材料的色差就越大。催化性质:纳米材料有很大的活性中心数目,其分散性好,不会形成反应体系的局部过热而导致催化剂失去活性。光催化性质:纳米材料吸收光能后原有的束缚电子向纳米颗粒的表面扩散,纳米颗粒愈小激发态电子、空穴扩散所需的时间久越短。现在学习的是第8页,共48页光学化学性质:在光作用下的电化学工程,是分子、离子及固体收光使电子处于可激发态而产生的电荷传递过程。化学反应性质:由于颗粒粒径小,表面原子百分数多,吸附能力强,表面反应活性高,易被氧化,有些金属纳米材料甚至还会发光燃烧。力学性质:纳米材料的强度、硬度、韧性均有大幅度提高。热学性质:纳米铅材料比普通铅的比热增
6、加2050%,纳米铜材料的热膨胀系数比普通铜材成倍增大。导电性质:某些纳米合金材料的电阻率下降两个数量级,此外,纳米材料还具有永久磁化、抗烧结、超导等诸多特性。现在学习的是第9页,共48页纳米技术在陶瓷领域方面的应用陶瓷材料作为材料的三大支柱之一,在日常生活及工业生陶瓷材料作为材料的三大支柱之一,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是,由于传统陶瓷材料质地产中起着举足轻重的作用。但是,由于传统陶瓷材料质地较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到了较大的限制。较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此随着纳米技术的广泛应用,纳米陶
7、瓷随之产生,希望以此来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。和可加工性。现在学习的是第10页,共48页是指显微结构中的是指显微结构中的物相具有纳米级尺物相具有纳米级尺度的陶瓷材料,也度的陶瓷材料,也就是说晶粒尺寸、就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的都是在纳米量级的水平上。水平上。纳米灯具陶瓷纳米陶瓷现在学习的是第11页,共48页现在学习的是第12页,共48页纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是纳米技术的重要组成部分,其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制
8、备纳米量子器件,它包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小,研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。现在学习的是第13页,共48页纳米单电子晶体管现在学习的是第14页,共48页可调谐纳米发光二极管现在学习的是第15页,共48页超微磁场探测器现在学习的是第16页,共48页电光信息电子器现在学习的是第17页,共48页纳米激光器在经过多个科学家研究的发现,无能量阈纳在经过多个科学家研究的发现,无能量阈纳米激光器的运行还可以得出速度极快的激光米激光器的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发
9、射激光,器。由于只需要极少的能量就可以发射激光,这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟光器能够以快于每秒钟200200亿次的速度开关,亿次的速度开关,适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展,这种无能量阈纳米激光器的实现将指日展,这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。可待。现在学习的是第18页,共48页纳米技术在化工领域的应用纳米粒子作为光催化剂,有着许多优点。首先是粒径纳米粒子作为光催化剂,有着许多优点。首先是粒径小,比表面积大小,比表面积大,光催化效率高。另外,纳米粒子生光催化效率高。另外,纳
10、米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前,大部分不会重新成的电子、空穴在到达表面之前,大部分不会重新结合。因此,电子、空穴能够到达表面的数量多,结合。因此,电子、空穴能够到达表面的数量多,则化学反应活性高。其次,纳米粒子分散在介质中则化学反应活性高。其次,纳米粒子分散在介质中往往具有透明性,容易运用光学手段和方法来观察往往具有透明性,容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。表面态密度的影响。现在学习的是第19页,共48页纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂现在学习的是第20页,共48页纳米技术在医学上的应用
11、随着纳米技术的发展,在医学上该技术也开始崭露头随着纳米技术的发展,在医学上该技术也开始崭露头角。研究人员发现,生物体内的角。研究人员发现,生物体内的RNA蛋白质复合体,蛋白质复合体,其线度在其线度在1520nm之间,并且生物体内的多种病毒,之间,并且生物体内的多种病毒,也是纳米粒子。也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还以下的粒子比血液中的红血球还要小,因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注要小,因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,作为监测和诊断入到血液中,输送到人体的各个部位,作为监测和诊断疾病的手段。疾病的手段。现在学习的是第21页,
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