1、第二讲纳米材料天文望远镜天文望远镜哈勃望远镜哈勃望远镜引引 言言 扫描电镜扫描电镜人类科技发展绐终朝两个目标奋斗：一个是向着越来越大、越远的宏观世界进军，发明了望远镜向着世界的广度进军，探索宇宙的起源和进化；另一个是向着越来越小、越深的微观世界发展，发明了各种显微镜、粒子加速器，向着分子、原子、原子核、基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构。19世纪末到20世纪初，人们对微观世界的认识已延伸到十分微小的层次时间已缩短到纳(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飞(f)秒(10-15秒)的数量级。描述这些微观体系的学科相继建立，如原子核物理、粒子物理、量子力学等。在向着这两个极端
2、目标无尽的征途中，人们蓦然回首，发现我们对原子、分子和宏观物体之间的中间领域，即纳米领域，却尚未认识和开拓。量子力学量子力学原子核物理原子核物理粒子物理粒子物理 20世纪60 年代人类社会进入了一个被称为“后工业社会”、“信息社会”、“新经济社会”、“知识社会”等拥有多种名称的社会。科学家已经在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文化。在材料科学的积累和进步中，以及在探测材料组织设备的不断更新和完善的基础上，信息与通讯材料、电子材料、光子材料正创造着“信息时代”；通信电缆通信电缆 Co超级存储材料超级存储材料 单分子自旋态控制单分子自旋态控制航空航天材料、高聚物、复合材料等也开创了“太空时代
3、”；航天密封用氢化丁腈橡胶航天密封用氢化丁腈橡胶航天复合管航天复合管航天线材航天线材航空轴承航空轴承医学材料、高级陶瓷、生物材料、转基因食物、克隆材料又开启了“生命复制时代”等等。各种生物材料各种生物材料基因测序基因测序 在信息、航空、生命等不同领域的背后，人们都可以纳米材料的身影。纳米材料出现许多既不同于宏观体系，也不同于微观体系的奇异性能，而且这个领域才是对人类自身关系最密切的物质层次，于是人们集中精力开展纳米科技的研究。纳米材料纳米材料 纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人类科学技术已进入一个新的纳米科学技术时代，人类即将从“毫米文明”和“微米文明”迈向即
4、将到来的“纳米文明”。毫米文明毫米文明微米文明微米文明纳米文明纳米文明以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革命，纳米技术的发展将推动信息、材料、能源、环境、生物、农业、国防等领域的技术创新，给传统产业带来极大的变革，进而为人类创造出许多新材料、新产品，彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式。纳米技术必将成为21世纪科技发展的领头羊。纳米的定义纳米的定义1、纳米的定义、纳米的定义 纳米(nanometer)是一种几何尺寸量度单位，简写为 nm 1nm=10-3m=10-6mm=10-9 m 1纳米是1米的10亿分之一人类人类DNA形态形态(方框边长为方框边长为10nm)在原子物
5、理中使用埃()作为计量单位1 =10-10m，1nm=10 1nm=1000皮米pm(picometre)1pm=1000飞米fm(femtometre)1fm=1000阿米am(attometre)氢原子直径为11nm=10个氢原子一个挨一个排起来的长度纳米是一个极小的尺寸单位C-H化合物中的原子排列化合物中的原子排列方框边长为方框边长为1nm以长度米为坐标单位，人类所研究物质世界尺度大小比较。约10亿光年人类已观察到的宇宙大致范围约10亿光年可看到银河系的全貌1000亿千米可看到冥王星的完整轨道1万千米可分辨地球的一部分1千米可分辨城市居民区的建筑排列10米可看清在足球场上的人1厘米可分辨
6、皮肤表面皱纹的局部100微米可分辨人体细胞、大小约17微米1微米可看到聚集的染色体100纳米可分辨染色体的两部分1纳米可分辨DNA的分子结构100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓1nm=1000皮米100飞米可以从整体上分辨出原子核10飞米可看清原子核中的质子和中子1飞米可分辨出组成质子和中子的夸克100阿米进一步看清夸克，大小为10-10米纳米尺寸的量度纳米尺寸的量度人的身高 10亿nm人头发的直径 60,000-80,000nm血液中的红血球 6,000-9,000nm 细菌 2,000-3,000nm病毒尺寸 几十 nm微观尺度示微观尺度示意图意图红细胞红细胞病毒病毒纳米材料的定义纳米材料
7、的定义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，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内，或以它们作为基本单元构成的材料。按维数、纳米材料的基本单元可分为：按维数、纳米材料的基本单元可分为：零维在空间三继尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；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；二维指在三维空间中有维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质，所以，对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。纳米纳米Au颗粒颗粒Jana et al Adv.Mater.2001,1
8、3,1389 纳米氧化钴纳米氧化钴颗粒颗粒纳米纳米 Au线线1m1m1m 1mFe2O3纳米带及其组装的阵列纳米带及其组装的阵列Wen,et al.J.Phys.Chem.B 2005,109,215.一维金纳米线一维金纳米线金纳米线拥有良好的电、热、机械等特性，在纳米电子学领域具有广阔的应用前景。利用高能重离子轰击聚合物薄膜形成离子径迹，经过化学蚀刻获得重离子径迹模板，采用电化学沉积的方法将金填充到纳米尺度的孔道中，制备出不同晶体结构、直径小到20纳米的金纳米线阵列。美国佛罗里达大学科研人员最新研制出了一种新型由许多碳素纳米管C60组成的纳米薄膜，它的质量比钢轻10倍，但强度却是钢的250倍
9、。这种新型材料用途广泛，可用于航空、军事、太空以及日常生活等各个领域。二维碳素纳米薄膜二维碳素纳米薄膜熟悉的纳米材料熟悉的纳米材料最早的人工纳米材料墨 著名的文房四宝中的墨就包含碳的纳米微粒。我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料。2000多年前，他们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉。这种碳粉不但是制墨的原料，而且还可以用做染料。用这种方法获得的碳粉实际上就是纳米粉体。我们的祖先并不知道纳米材料的概念，也没有任何手段来分析这些纳米颗粒，他们却知道用这种方法获得的超细碳粉所做成的墨具有良好的性能。色泽细腻附着力强经久不变 古代松烟制墨图古代
10、松烟制墨图早期的墨，是用天然色料合胶而成。汉代起，才用松烟制墨。长沙马王堆西汉墓出土的帛画使用了当时的墨作为颜料长沙马王堆西汉墓出土的帛画使用了当时的墨作为颜料，历经，历经2000多年仍然色泽清晰多年仍然色泽清晰新石器时代新石器时代 陶器纹饰陶器纹饰 我国最著名的墨是安徽徽墨。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱，就是烟凝结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓“精烟徽墨”）、树胶、少量香料及水份制成，书写的毛笔字有光泽且能保持较长时间不褪色。安徽徽墨安徽徽墨人工纳米涂层人工纳米涂层 中国古代铜镜表面的防锈层，经检验证实为纳米氧化锡颗粒构成的层薄膜；湖北江
11、陵出土的勾践剑到今天仍然锋利，没有锈蚀，这也归功于剑身表面的氧化物纳米涂层。虽然当时人们并不知道涂层是由肉眼根本看小到的纳米颗粒构成，但却懂得使用它们来保护自己的工具。勾践剑勾践剑铜镜铜镜天然纳米材料天然纳米材料观音土观音土 在微观上，观音土究竟什么样？科学家们发现观音土其实是一种天然的纳米孔材料。硅藻土是硅藻这种单细胞藻类生物留下来的遗体，壳壁由非晶二氧化硅和果胶组成，壳缝为125纳米左右。对壳壁上点纹、线纹观察后发现，它们都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在20-100纳米。所以硅藻土是天然的纳米孔材料。提纯、改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能。硅藻土过滤片硅藻土过滤片
12、生物中的纳米结构和纳米材料生物中的纳米结构和纳米材料 生物多样性及其复杂性的来源，不是主要决定于组成它的原于和分子，而是决定于这些原子和分子在纳米尺度上的结构，以及纳米尺度上的生命运动规律。自然界中早就存在纳米微粒和纳米结构，只是我们没有注意到而已。自洁的荷花自洁的荷花 周敦颐的爱莲说中对荷花有一句深刻的描写，至今仍然脍炙人口：“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。从这两句描写中可以看出，古人已经发现荷叶具有很强的自洁作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷叶的干净清爽在很大程度上衬托出了荷花的美丽。今天人们发现，荷叶叶面部具有较强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘
13、土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。荷叶自洁效应荷叶自洁效应荷叶为什么能出污泥而不染？为什么会有这种“荷叶效应”?从荷叶的基本化学成分来看，荷叶是由叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物组成，拥有丰富的-OH、-NH等极性基团。这些极性基团在自然环境中很容易吸附水分或污渍，因此用传统的化学分子极性理论来解释是行不通的。有些科普书中是这样解释的：“出水荷叶上溅了水滴，由于荷叶上有细毛，水不能吸附在荷叶上”。荷叶上有细毛这一点，凭手感就能察觉，但其表面根本达不到机械学意义上的粗糙度，因而从机械学的粗糙度来解释也不行。两位德国科学家经过长期观察研究，终于揭开荷叶自
14、洁奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“山包”，“山包”的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。荷叶叶面微观结构（荷叶叶面微观结构（100微米）微米）这些“山包”又是由许多直径为200nm左右的突起组成的。这样就在“微米结构”上再叠加上“纳米结构”，在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数“小山”。荷叶小突起再放大后见到的纳米结构荷叶小突起再放大后见到的纳米结构 在“小山”之间的凹陷部分充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚度的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等
15、降落在叶面上面，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，在“山头”间跑来跑去，却不能进入到荷叶内部。于是荷叶便有了疏水的性能。水滴在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是荷叶能自洁的奥妙所在。要制备具有荷叶效应的自清洁超疏水表面材料还有很长的路要走，而中国的研究人员在正确的方向上取得了很有意义的进展。中国科学家采用一种普通的塑料聚苯乙烯微球制备出一种具有超疏水性质的塑料薄膜。多孔微球和纳米纤维多孔微球和纳米纤维复合材料复合材料海洋的真正主人海洋的真正主人 浩瀚的海洋就是一个庞大越微粒的聚集场所。原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子(0.41.0m)具有很丰富的浓
16、度约为106107/毫升，最近威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是这种亚微米粒子的3倍。这些纳米粒子才是真正的海洋主人，对海洋的运动、海洋中的各种生命等有着重要影响。通过对这些纳米粒子的研究，可以获取海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息。恋家的蜜蜂恋家的蜜蜂 蜂窝是有许多规整的六边形蜂房组成，蜜蜂居住在其中。科学家发现，每只蜜蜂都有属于自己的蜂房。虽然每个蜂房的形状几乎完全相同，但蜜蜂相互之间不会“走”错房间。六边形的蜂房六边形的蜂房采蜜的蜜蜂采蜜的蜜蜂最近，英国科学家发现蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性颗粒一方面具有指南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定
17、其周围环境在自己头脑里的图像并判明方向，为其活动导航；另一方面具有存储器功能，当蜜蜂靠近自己的蜂房时，它们就把周围环境的图像储存起来，外出采蜜归来就启动这种记忆，实质就是把自己储存的图像与所看到的图像进行对比和移动，当两个图像完全一致时它们就明白又回家了。“横行横行”的螃蟹的螃蟹 螃蟹以其独特的“横行”方式成为生物界中一道别致的风景。横行的螃蟹横行的螃蟹生物科学家最近研究指出，螃蟹原先并不是象现在这样横行运动，而是像其他生物一样前后运动。这是因为亿万年前的螃蟹第一对蟹螯里有几颗用于定向的磁性纳米微粒，就象是几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。但是，由于地壳剧烈
18、运动，地球的磁场发生多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定问作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。全球定位的海龟全球定位的海龟 美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期研究发现海龟通常在佛罗里达的海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近的海域生活。从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一祥相当于绕大西洋一圈，需要56年的时间。迁徙的海龟迁徙的海龟这样准确无误地航行靠什么导航？为什么海龟迁移的路线总是顺时针的?最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移。海龟的迁移海龟的
19、迁移“顽固顽固”的牙齿的牙齿 人类和动物的牙齿是由定向的羟基磷灰石纳米纤维与胶质基体复合而成，这种具有纳米结构的材料硬度很大，相当耐磨，极耐腐蚀。所以，这无疑是上天给人类和动物最好的恩赐。此外，动物的某些骨骼、筋、软骨、皮以及部分昆虫的表皮等也都是纳米复合材料。牙齿微观形貌牙齿微观形貌蓝田遗址中发现的牙齿蓝田遗址中发现的牙齿通过对自然界中的纳米材料和纳米结构进行研究，我们可以得到相当大的启发。我们能否模仿荷叶表面的结构，制造出应用于生活的各种各样的疏水材料来？我们能否从生物体内的纳米粒子得到启发，为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益依据？要达到上述目的，必须要了解纳米材料，了解纳米材料的独特
20、性能。生物中的纳米结构和纳米材料生物中的纳米结构和纳米材料小结小结纳米材料与纳米技术的发展史纳米材料与纳米技术的发展史 要了解纳米材料，首先应从了解纳米材料的出现和发展历史开始。根据时间，我们可以将纳米材料的发展大致分为三个阶段：孕育萌生阶段探索研究阶段应用开发阶段 孕育萌生阶段孕育萌生阶段 人类开始制造和使用纳米材料应该是2000多年前我们中国人开始使用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于作色的染料开始的；1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始对直径为1100nm的粒子系统进行研究；但当时的化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次，而只是从化学的角度作为
21、宏观体系的中间环节进行研究。1959年12月29日,在加州理工学院发表了一篇题为“There is a plenty of rooms at the bottoms”(科学研究还远未到尽头)的演说，思索“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹?”，并指出用这种方法制备的材料将具有特殊性能。著名物理学家、著名物理学家、诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖(1964年年)获得者获得者(理查德理查德.费曼费曼)20世纪60年代，科学家开始有意识地把纳米粒子作为研究对象来探索纳米体系奥秘。1962年，Kubo(久保)研究发现金属超微粒子与块体材料的热性质不同，并针对金属超微粒费米面附近的电子能
22、级状态分布提出了著名的久保理论，也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论，从而推动实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索。l963年，及其合作者发展了所谓的气体冷凝法，即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的超微粒，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。气体冷凝法制备气体冷凝法制备纳米材料示意图纳米材料示意图1974年，日本学者Taniguchi首次提出了“Nanotechnology”(纳米科技)一词，1981年德国科学家提出了“Nanostructure of solids”(固体纳米结构)的概念，并发展了具有纳米晶粒尺寸和大量界面的各种特殊性能的材料。70
23、年代未80年代初，对纳米微粒结构、形态和特性进行了比较系统的研究。久保理论也日臻完善在用量子尺寸效应解释超微粒子某些特性方面获得成功。1981年，美国IBM公司在瑞士苏黎世实验室的教授和博士发明了扫描隧道电子显微镜(Scanning Tunneling Microscopy)，简称STM。STM设备外貌和原理图设备外貌和原理图STM是目前为止进行表面分析的最精密的仪器之一，可以直接观察到原子。它的横向分辨率可以达到，纵向分辨率达到，并且还具有操纵原子的功能。这使理查德费曼的预言仅过了12年就成为现实，两位发明人也因此获得了1984年诺贝尔物理奖。它是在纳米材料研究的基础上进行纳米合成、纳米添加
24、发展新型材料，并对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，形成基础研究和应用研究并行发展的新局面。2000年，中科院沈阳金属所的卢柯小组利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓“精烟徽墨”）、树胶、少量香料及水份制成，书写的毛笔字有光泽且能保持较长时间不褪色。100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓生物多样性及其复杂性的来源，不是主要决定于组成它的原于和分子，而是决定于这些原子和分子在纳米尺度上的结构，以及纳米尺度上的生命运动规律。10飞米可看清原子核中的质子和中子此外，碳纳米管的电
25、导高于Cu，在低温下，电导随外加磁场的变化出现涨落现象。这些“山包”又是由许多直径为200nm左右的突起组成的。久保理论也日臻完善在用量子尺寸效应解释超微粒子某些特性方面获得成功。到那时，人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情。小尺寸效应对陶瓷的韧化十分重要。当粒子尺寸下降到某一值时金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。正是荷叶的干净清爽在很大程度上衬托出了荷花的美丽。纳米(nanometer)是一种几何尺寸量度单位，简写为 nm要了解纳米材料，首先应从了解纳米材料的出
26、现和发展历史开始。于是荷叶便有了疏水的性能。STM的发明不仅意味着人们可以直接观察到原子、分子，而且还能够利用STM直接操纵和安排原子和分子，这代表着纳米科技的诞生，在人类科学史上是一个巨大的进步。利用利用STM进行进行原子表面修饰原子表面修饰和和单原子操纵单原子操纵探索研究阶段探索研究阶段 STM诞生迅速将人类推进到纳米材料的探索研究阶段。STM诞生后不久，美国IBM的两名科学家就开始利用STM直接操作原子，成功地在镍板上将35个氙原子按自己的意志安排原子组合成“IBM”宇样；此后日本在室温下进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“Peace的字样。氙原子组成的氙原子组成的IBM字样字样19
27、87年美国阿贡实验室的席格尔等人用惰性气体蒸发原位加压法制备金红石结构的纳米氧化钴陶瓷致密度达95。与粗晶氧化钴陶瓷比较，对应同样烧结温度，纳米陶瓷硬度均高于常规陶瓷；对应同样的硬度值纳米TiO2烧结温度可降低几百度。纳米陶瓷粉与块体纳米陶瓷粉与块体1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。1991年IBM的利用STM快速重复地在Ni表面同一位置上“拾”起或“放”下一个氙原子，原则上创造了速度为二百亿分之一
28、秒的单原子双级开关装置。这为原子级的计算机开关器件的诞生创造了条件。专家们预计，达一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为的硅片上。美国国会图书馆美国国会图书馆Si基片基片1991年，美国海军实验室的一个研究组提交了一篇理论性文章，预计了一种碳纳米管的结构，但当时认为近期内不可能合成，因而文章未予以发表。同年1月,日本筑波NEC实验室的Ijima(饭岛澄男)用高分辨电镜就观察到碳纳米管。上图为上图为碳纳米管理论模型碳纳米管理论模型 下图为下图为STM观察到的观察到的碳纳米管碳纳米管照片照片与此同时，莫斯科化学物理研究所的研究人员也独立发现了碳纳米管和纳米管束
29、。单壁碳纳米管是由美国IBM的Bethume(伯森)等人发现。每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，长度一般为几十纳米至微米级，两端由碳原子的五边形封顶。单壁碳纳米管单壁碳纳米管多层碳纳米管一般是由几个到几十个单壁碳纳米管同轴组成，管间距在左右。多层碳纳米管多层碳纳米管碳纳米管奇特的物理性质碳纳米管奇特的物理性质 1)纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当的掺杂成分可以使C60固体成为超导体。同时，C60固体还在低温下呈现铁磁性。2)碳纳米管具有独特的电学性质，这是由于电子的量子限域所致，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制。经计算表明，有1/3的
30、小直径碳纳米管具有金属性质，而其余的具有半导体性质。此外，碳纳米管的电导高于Cu，在低温下，电导随外加磁场的变化出现涨落现象。3)碳纳米管不仅具有良好的导电性能,还是目前最好的导热材料，同时，碳纳米管活性很高，普通的闪光就能使其燃烧。4)纳米碳管具有十分优良的力学性能。碳纳米管的质量只有相同体积钢的六分之一,但抗张强度却比钢高100倍，比钛高10倍；由悬臂粱振动测量结果，碳纳米管的杨氏模量高达1012Pa左右；延伸率达百分之几，具有好的可弯曲性。碳纳米管的巨大应用前景碳纳米管的巨大应用前景 1)纳米尺度电子元件可在两个共轴纳米管或纳米管结的基础上来制造设计，元件同时具有金属和半导体性质。2)纳
31、米碳管优异的导热性能使它成为今后计算机芯片的热点,也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。碳纳米管电子元件碳纳米管电子元件3)碳纳米管可用于电子探针或显示的针尖及场发射。碳纳米管与其他材料形成的复合材料电导大大增强，喷在表面可做导电漆或涂层。它也可作为晶体管的发射极。用于场发射使用的碳纳米管用于场发射使用的碳纳米管50m750m150m 20m250m4)碳纳米管优异的力学性能可使它们用作复合材料的增强剂，用做复合材料、防磨涂料、润滑剂、液体表而保护剂等。如果掺入树胶，这种纳米管可在分子等级上与树胶混合形成高强度树胶，用于制作小型精密机械用树胶齿轮，也可用于制作不易破损的轻型透明树胶基
32、片。碳纳米管强度高、重量轻，最有前途的用途莫过于将制作太空升降机的缆绳。这是因为缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，目前世界上除了碳纳米管，没有任何材料能够支撑这种长度缆绳自身的重量。到那时，人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情。太空梯太空梯5)碳纳米管的特殊结构在燃料电池和化工催化上也有很大用途。碳纳米管的空腔是很好的贮氢场所。碳纳米管具有很大的比表面积，由其形成的有序纳米孔洞厚膜不但能用于锂离子电池，而且在此厚膜孔内填充电催化的金属或合金后可用来电催化O2分解和甲醇的氧化。6)碳纳米管甚至可以用来制作纳米齿轮，为制备纳米机械打下基础。目前人们已经合成出了WS2、MoS2、BN、TiO2、
33、NiCl2、类酯体、肽以及定向排列的氮化碳等纳米管，纳米管的出现丰富了纳米材料研究的内涵，为合成组装纳米材料提供了新的发展和机遇。中国科学院于1991年召开了我国首次“纳米科技发展战略研讨会”。会上，中国科学院上海原子核研究所的青年学术小组作了“面向21世纪的高新科技纳米科学技术”的主题报告。当时对纳米材料，国家科技部已经安排了基础研究重大项目进行研究，但对纳米科技的整体研究尚未安排国家级的计划。所以，在某种意义上说，该次会议标志着我国真正启动了纳米科技研究。中科院真空物理实验室的研究人员于1993年用STM在Si重构表面上开展原子操纵研究，通过针尖与样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出
34、，从而在表面上形成一定规则的图形，形成“中国”等字样。中科院化学所用扫描隧道显微镜在石墨晶体表面刻写的中国地图，线条宽度为纳米级。这些技术的突破是我国纳米科技的重大进展，在高密度信息储存、纳米电子器件、量子器件、新型材料的组成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。同时也标志我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。应用开发阶段应用开发阶段1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程。它是在纳米材料研究的基础上进行纳米合成、纳米添加发展新型材料，并对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，形成基础研究和应用研究并行发展的新局面。随后，纲米材料及其技术开始蓬勃发展，产业化步
35、伐加快，市场不断扩大，世界竞争态势逐渐形成。1996 年，中国科技大学谢毅利用苯热合成法制备出平均粒度为30nm 的氮化镓粉体。1997 年，清华大学范守善教授制备出直径为3-50nm、长度达微米级的氮化镓纳米棒,首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，提出碳纳米管限制反应的概念。1999 年,他与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。1997年，美国纽约大学科学家发现，DNA(脱氧核糖核酸)可用于建造纳米层次上的机械装置，这是继碳纳米管后又一可制作纳米机械的材料。DNA纳米机械装置纳米机械装置1998年,中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石
36、纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。CCl4结构结构金刚石结构金刚石结构1999 年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的“秤”。具体操作是先将电流通人碳纳米管，再观测碳纳米管的振动频率，由此计算出碳管的强度和柔韧性。后来，他们将一个纳米颗粒放在碳纳米管的一个顶端，再重复进行上述实验时发现，由于重量发生了变化，使得碳纳米管的振动频率也随之发生了相应的变化，从而测算出纳米颗粒的重量。纳米天平纳米天平2000年，中科院沈阳金属所的卢柯小组利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。而且他们还发现纳米铜的室温超塑延
37、展性，获得纳米金属铜室温压延伸率高达5000的超塑性现象，展示无空隙纳米材料的变形机制。=0%=200%=600%=2000%=5100%美国IBM公司首席科学家Amstrong(阿姆斯特朗)说；“正像70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心”。著名科学家钱学森也预言“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，将是21世纪的又次产业革命。”虽然纳米新技术目前处于基础研究阶段，但纳米科技必将成为21世纪科学的前沿和主导。各国的纳米技术发展规划各国的纳米技术发展规划美国 自1991年开始，把纳米技术列入了“政府关键技术”、“2005年战略技术”日本 在
38、6年前实施了为期10年，耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划 德国 在1993年提出了今后10年重点发展的9个领域关键技术，其中4个领域涉及纳米技术 中国“863规划”、“九五规划”和“十五规划”均将纳米技术研究列为重点项目，并成立了国家纳米技术研究指导委员会。中科院于2000年10月30日宣布成立纳米科技中心，从事纳米技术及相关研究。纳米材料的特性纳米材料的特性纳米材料在力、热、磁、光等方面的特性是由纳米材料具备的特殊纳米材料在力、热、磁、光等方面的特性是由纳米材料具备的特殊效应决定的：效应决定的：小尺寸效应；小尺寸效应；表面效应；表面效应；量子尺寸效应；量子尺寸效应；宏观量子隧道效应；
39、宏观量子隧道效应；特殊效应 物理性能改变应用领域小尺寸效应 磁有序向无序转变磁性材料、超导材料电子能级间隙增大，电阻增大导电材料、绝缘材料力学性能的强韧化陶瓷材料、金属材料等离子共振频率改变屏蔽材料表面效应 原子表面活性增加化工催化、能源材料熔点下降粉末冶金材料量子效应 红外吸收带宽化且向短波方向移动光吸收材料出现新的发光现象光电子材料宏观量子隧道效应 某些宏观物理性能可贯穿势垒磁性材料、电子材料特殊效应对物理性能的影响及其应用特殊效应对物理性能的影响及其应用（1）小尺寸效应）小尺寸效应超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将
40、被破坏；纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致材料的声、光、电、磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。可将超过临界尺寸的纳米粒子应用于磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。磁性信用卡磁性信用卡阻尼器件阻尼器件小尺寸效应对陶瓷的韧化十分重要。纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱。原于在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新的力学性能。增韧陶瓷增韧陶瓷 利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸
41、，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。隐型飞机隐型飞机（2）表面效应）表面效应 纳米微粒表面原子数随粒径减小而大幅增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，引起纳米粒子性质的变化；纳米粒子的表面原子所处晶体场环境及结合能与内部原子不同，存在许多空键，具有不饱和性质，活性很高，极易与其他原子相结合而趋于稳定，形成纳米材料的表面效应。由于纳米粒子尺寸小，界面所占的体积百分数可与纳米微软所占的体积分数相比拟，界面此时就不能简单地看成是一种缺陷，它已成为纳米材料基本构成之一，对材料性能的影响起着举足轻重的作用 粉末粒径(nm)1002010521比表面积(m
42、2/g）6.690180450900表面原子数(%)1020408099粉末比表面积和表面原子数随粉末粒径变化趋势粉末比表面积和表面原子数随粉末粒径变化趋势 纳米微粒的熔点远低于块状金属。例如2nm的金熔点为600K，而块状金为1337K，此特性为粉末冶金业提供了新工艺。由于纳米微粒尺寸小，表面能高，在较低温度下烧结就能达到致密化。常规氧化铝烧结温度在1973K-2073K，纳米氧化铝可在1423K至1673K烧结，致密度达以上。常规氮化硅炔结温度高于2073K，纳米氮化硅烧结温度可降低300-400K。纳米氧化钛在1273K呈现出明显致密化，比大晶粒样品低873K就能达到类似烧结硬度。（3）
43、量子尺寸效应）量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。一是宽频带强吸收。当尺寸减小到纳米级时，它们对可见光的反射率极低，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。纳米颗粒对红外有一个宽频带强吸收谱，这是因为纳米粒子大的比表面导致平均配位数下降不饱和键和悬键增多，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下出现红外吸收带的宽化。二是蓝移现象。与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象：即吸收带移向短波方向。纳米碳化硅颗粒和大块碳化硅固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-1。纳米碳化硅颗粒的红外吸收频率较大块固体蓝移了20cm-1。利用这种蓝移现象可以设计波段可控的新型光吸收材料。
