纳米技术学习.pptx
《纳米技术学习.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《纳米技术学习.pptx(79页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、一、纳米科技的诞生二、纳米技术与纳米材料的概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料1第1页/共79页一、纳米科技诞生一、纳米科技诞生19591959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造“产品”,这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。原子排成的“原子”字样2第2页/共79页19741974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。19821982年,科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜,使人类首次在大气和常温下看见原子,为我们揭示一个可见的
2、原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用。19901990年7 7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生3第3页/共79页1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。4第4页/共79页19931993年,继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、19901990年美国国际商用机器公司在镍表面用3636个氙原子排出“IBMIBM”之后,中国
3、科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。5第5页/共79页1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。6第6页/共79页2000年4月,美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀,该手术刀可以每秒扫描10万个癌
4、细胞,并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中,制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。7第7页/共79页 到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础
5、研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。8第8页/共79页纳米算盘C60每10个一组,在铜表面形成世界上最小的算盘。硅表面9第9页/共79页纳米皇冠10第10页/共79页二、纳米技术与纳米材料的概念二、纳米技术与纳米材料的概念1.纳米技术纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在1-100nm尺度空内,研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子,制造出具有特定功能的产品。离子注入三维图像11第11页/共79页2.纳米材料纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗
6、粒,一般是指尺寸在1100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型人介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。12第12页/共79页三、纳米材料的特性1.表面效应2.小尺寸效应3.量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应13第13页/共79页1.1.表面效应表面效应14第14页/共79页2.小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下
7、会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。(1 1)特殊的光学性质(2 2)特殊的热学性质(3 3)特殊的磁学性质(4 4)特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。15第15页/共79页3.量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级,吸收光谱阙值向短波方向移动,这种现象称为量子尺寸效应。16第16页/共79页4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高
8、度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应,他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化,故称之为宏观量子隧道效应。17第17页/共79页四、几种典型的纳米材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管18第18页/共79页纳米颗粒型材料也称纳米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小,比表面大和量子尺寸效应等原因,它具有不同于常规固体的新特性。19第19页/共79页用途:高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材
9、料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。20第20页/共79页纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒21第21页/共79页纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒(或颗粒)构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。22第22页/共79页纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动,因此具有其它液体所没有的磁
10、控特性。23第23页/共79页碳纳米管,是碳纳米管,是1991年由日本年由日本电镜学家饭岛教授通过高分电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的,属碳材料家辨电镜发现的,属碳材料家族中的新成员,为黑色粉末族中的新成员,为黑色粉末状,是由类似石墨的碳原子状,是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物,六边形网格所组成的管状物,它一般为多层,直径为几纳它一般为多层,直径为几纳米至几十纳米,长度可达数米至几十纳米,长度可达数微米甚至数毫米。微米甚至数毫米。碳纳米管24第24页/共79页碳纳米管本身有非常完美的结构,意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构,意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超
11、过钢丝强度,性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度,它还有其他材料所不具备的性能:非常好的导电性它还有其他材料所不具备的性能:非常好的导电性能、导热性能和电性能。能、导热性能和电性能。25第25页/共79页碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一,但它的导电率是铜的1万倍,它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬,却有柔韧性,可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。26第26页/共79页正是由于碳纳米管自身的独特性能,决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面,利用碳纳米管奇异的电学性能,可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领
12、域。在材料方面,可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料,并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面,可利用它对波的吸收、折射率高的特点,作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域,利用其良好的热学性能,添加到火箭的固体燃料中,从而使燃烧效率更高。27第27页/共79页如果用碳纳米管做绳索,是唯一可以从月球如果用碳纳米管做绳索,是唯一可以从月球挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索。如挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球果用它做成地球-月球乘人的电梯,人们在月球定居月球乘人的电梯,人们在月球定居就很容易了。纳米碳管
13、的细尖极易发射电子。用于就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是做电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是电视制造业的发展方向。电视制造业的发展方向。28第28页/共79页把碳纳米管用作转子的纳米马达图像29第29页/共79页然而,碳纳米管作为一种新型材料然而,碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年,却尚未得到工业被发现至今已有十年,却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场应用。超高的成本使国际市场9090高纯高纯度的碳纳米管价格高达度的碳纳米管价格高达1000100020002000美元美元克,一般纯度的碳纳米管价格也在克,一般纯度的碳纳
14、米管价格也在6060美元克,美元克,远远高出黄金的价格。远远高出黄金的价格。30第30页/共79页纳米材料的制备技术“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成4,它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点,而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。31第31页/共79页1963年,RyoziUyeda等人用气体蒸发(或“冷凝”)法获得了较干净的超微粒,并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。1984年,Gleiter等人用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。32第32页/共79页一、物理方法1
15、 1真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。2 2物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。3 3机械球磨法机械球磨法 采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。33第33页/共79页二、化学方法1 1 化学沉淀法化学沉淀法共沉淀法共沉淀法均匀沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法沉淀转化法34第34页/共79页2.化学还原法
16、水溶液还原法水溶液还原法多元醇还原法多元醇还原法气相还原法气相还原法碳热还原法碳热还原法35第35页/共79页微乳液法制备微乳液法制备Fe2O3示意图示意图36第36页/共79页纳米技术及纳米材料的应用由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。37第37页/共79页一、陶瓷增韧陶瓷材料在通常情况下呈脆性,由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,
17、原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与延展性。纳米陶瓷38第38页/共79页二、磁性材料方面的应用巨磁电阻材料2新型的磁性液体和磁记录材料39第39页/共79页三、纳米材料在催化领域的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而
18、且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应于作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高高10101515倍。倍。40第40页/共79页1金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上,例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双
19、键上往往连有尺寸较大的基团,致使双键很难打开,若加上粒径为lnm的铑微粒,可使打开双键变得容易,使氢化反应顺利进行。41第41页/共79页2半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应发现以来,一直引起人们的重视,原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指:在光的照射下,价带电子跃迁到导带,价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来,短基变成自由基,作为强氧化剂将物质氧化,变化如下:酯、醇、醛、酸、CO2,完成了对有机物的降解。42第42页/共79页常用的光催化半导体纳米粒子有常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相锐铁矿相)、Fe2
20、O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处:将这类材料做成等。主要用处:将这类材料做成空心小球,浮在含有有机物的废水表面上,利太阳光可进行有空心小球,浮在含有有机物的废水表面上,利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中,污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中,使其具有保洁杀菌的功能,也可以添加到人造纤维中制成杀菌使其具有保洁杀菌的功能,也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表
21、面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰,离子修饰,杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应,生成可燃性的甲烷、乙烷和光催化可以使丙炔与水蒸气反应,生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷;铂化的丙烷;铂化的TiO2纳米粒子,通过光催化使醋酸分解成甲烷和纳米粒子,通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。还有一个重要的应用是,纳米。还有一个重要的应用是,纳米TiO2光催化效应可以用来光催化效应可以用来从甲醇水溶液中
22、提取从甲醇水溶液中提取H2。43第43页/共79页3纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼,可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料,如炸药,增加爆炸效率;也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率,将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中,以提高燃烧的效率,因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前,纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。44第44页/共79页四、纳米材料在光学方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性,如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等,都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明,利用纳米微粒
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 纳米技术 学习
限制150内