纳米高分子材料

材料分类
金属材料（ Materials):钢铁、 ):钢铁 金属材料（Metallic Materials):钢铁、铝、铜、钛合金 陶瓷材料（Ceramics）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN 陶瓷材料（Ceramics）： ）：Al SiC、 或无机非金属材料（ Materials) 或无机非金属材料（Inorganic Materials) 高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯 高分子材料（ Polymers) 纤维、蛋白质、聚乙烯、 Matel-Matrix 复合材料（Composites) 复合材料（Composites)： Composites Polymer-Matrix
按组成：
金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、 复合纳米材料……
– – – – – 复合纳米材料： 无机纳米粒子与有机高分子符合材料 无机半导体的核壳结构 量子阱(超晶格)材料 …………
纳米科技意义： 纳米科技意义：
1. 纳米科技将促进人类知识的革命：陌生的领域，知识的新疆域 纳米科技将促进人类知识的革命：陌生的领域， 2. 是21世纪的主导科技之一，将引发21世纪又一次产业革命 21世纪的主导科技之一 将引发21 世纪的主导科技之一， 21世纪又一次产业革命
是未来信息科技， 是未来信息科技，生命科技的发展的共同基础 (2010年，大规模集成电路，线宽将 < 0.1 µ (100 nm)) 年 大规模集成电路， 不仅产生新的革命性变革，也将对传统产业进行技术改造， 不仅产生新的革命性变革，也将对传统产业进行技术改造， (纳米除味、杀菌的化纤制品，纳米保温、耐洗刷、耐老化涂料 纳米除味、 纳米除味 杀菌的化纤制品，纳米保温、耐洗刷、耐老化涂料)
性) Pt是惰性金属，Pt黑(2 nm)却是高化学活性的催化剂 是惰性金属， 黑 是惰性金属 却是高化学活性的催化剂 吸附氢， 金属超微粒子的高储氢能力 (吸附氢，固溶体氢 吸附氢 固溶体氢) 无机金属氧化物纳米粒子，极高的表面吸附特性 无机金属氧化物纳米粒子， (吸附恶臭气体，杀菌) 吸附恶臭气体，杀菌 吸附恶臭气体 (纳米金红石型 纳米金红石型TiO2 (比表面 76 m2/g) 催化 2S脱S，比比 催化H 脱 ， 纳米金红石型 比表面 表面积为61 表面积为 m2/g，2.4 m2/g的TiO2效率高长而又曲折的历程： 漫长而又曲折的历程：
简单 → 复杂 单一性能 → 综合性能 结构材料 → 功能材料 单一材料 → 复合材料
石器时代（Stone
Age） Age）：
石斧、 箭头、 石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址） 纺轮、钵等（西安半坡遗址）
3.3. 特殊力学性能： 特殊力学性能：
韧性陶瓷：界面大，界面原子排列混乱，提供短程快速扩散途径。 韧性陶瓷：界面大，界面原子排列混乱，提供短程快速扩散途径。
易在外力下变形、迁移，及时修复微裂纹，避免断裂， 易在外力下变形、迁移，及时修复微裂纹，避免断裂， 超塑性
人的牙齿是纳米微晶磷酸钙 Cu 6 nm, 硬度为粗晶粒的 倍 硬度为粗晶粒的5倍
O
动态AFM，观察 Au 纳米晶(2 nm) 的不稳定性。 动态 ， 纳米晶 的不稳定性。 2000 .2 美 NNI (National Nanotechnology Initiative) 纳米科技是信息技术、生物技术进一步发展的基础， 纳米科技是信息技术、生物技术进一步发展的基础，这三者 将引导下一次工业革命， 的地位。 将引导下一次工业革命，应把它放在 Top Priority 的地位。 亿美元。 投资 4.95 亿美元。
2. 3. 量子尺寸效应： 量子尺寸效应：
能带理论： 能带理论： 金属费米能级附近电子能级是连续的 (条件：高温，宏观 尺度)，对于只有有限个导电电子的超微粒子，低温下能 级是离散的。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子 能量等，必须考虑量子尺寸效应。会使纳米微粒的磁、光、 声、热、电、超导性与宏观性质不同。 。 久保效应 δ = e.x. 1K,
1959.
Richard Feynman 演讲
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的专家是著名的物理学家、 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的专家是著名的物理学家、诺贝尔奖获得 者理查德·费曼 费曼。 者理查德 费曼。1959 年 12 月 29 日，他在加利福尼亚举行的美国物理学会年 会上发表演讲时就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖上并 会上发表演讲时就设想： 能移动原子，那么就将给科学带来什么！如果人类能够在原子/分子的尺度上来加 能移动原子，那么就将给科学带来什么！如果人类能够在原子 分子的尺度上来加 工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现， 工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现，……”这正是对纳米科学技 这正是对纳米科学技 术的预言,也就是人们常说的小尺寸大世界 也就是人们常说的小尺寸大世界。 术的预言 也就是人们常说的小尺寸大世界。 1974. Taniguchi 提出 nanotechnology . 导致物性和“块材” 导致物性和“块材”不同 1981. 1984. G . Binning, H . Rohrer . 制得纳米晶 人类的纳米“ 发明 STM . 人类的纳米“眼”和“手” Pd , Cu , Fe （美 IBM Co. Zurich. Lab ). （1986，因此获诺贝尔奖）. ，因此获诺贝尔奖） Gleiter（德）. （ 1987. Siegel （美 Argon Lab）. 纳米陶瓷 TiO2 多晶 ） 第 1 届 国际纳米科学技术会议 学术会议） （第五届STM学术会议） 第五届 学术会议
发展简史： 发展简史：
纳米材料： 古青铜器，古瓷器， 古代 纳米材料： 古青铜器，古瓷器，墨。 自然界纳米材料： 牙齿（纳米微晶） 自然界纳米材料： 牙齿（纳米微晶）。 DNA, RNA, 酶，细胞。（生物纳米机器） 细胞。 生物纳米机器） 20世纪初 世纪初 ： Pt 黑 (2 nm)/Al2O3 。 2nd World War : Zn 黑（红外探测器）。 红外探测器）
• 自然界的纳米材料
– ฀ 人体和兽类的牙齿 – ฀ 海洋中的生命粒子 – ฀ 蜜蜂的“罗盘”—腹部的磁性纳米粒子 – ฀ 螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作 用的紊乱 – ฀ 海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导 航
• 纳米材料的分类
按结构：
– – – – 零维纳米材料：量子点纳米粒子 一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管 二维纳米材料：薄层 纳米孔材料：如介孔分子筛
4 EF 3N
Ag, φ < 14 nm, 变为非金属绝缘体
δ, 相临电子能级间距；N，粒子内总导电电子数； EF ，费米能级；V，粒子体积当粒子为球形时，δ ∝1/d3 金属能级的不连续和半导体能级间隙变宽
2. 4. (宏观 量子隧道效应： 宏观)量子隧道效应 宏观 量子隧道效应：
微观粒子具有贯穿(翻越 势垒的能力称为隧道效应 微观粒子具有贯穿 翻越)势垒的能力称为隧道效应 翻越 一些宏观量， 一些宏观量，如，微颗粒磁化强度等，亦具有隧道 微颗粒磁化强度等， 效应。 效应。
60’s Kubo（久保亮武）效应：金属超微粒子的能级不连续， （久保亮武）效应：金属超微粒子的能级不连续，
1990.7. 美 . 巴尔的摩
1992.9
墨西哥 Cancum . 第 1 届 国际纳米结构材料会议 H. P. Co. IBM Co. Ge 原子在硅表面形成金字塔（宽10nm，高1.5nm） 原子在硅表面形成金字塔（ ， ） 原子在Cu单晶表面 将48个Fe原子在 单晶表面，排成圆形栅栏 个 原子在 单晶表面， （观察量子现象的微实验室） 观察量子现象的微实验室） Cornell Univ. 将Fe、CO拉在一起形成 FeCO、Fe(CO)2 (－260 C ). 、 拉在一起形成 、 －
石斧
青铜器时代（Bronze
巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址） 河南安阳晚商遗址）
Age) Age):
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
铁器时代（Iron Age）
中国古代铁器的金相组织 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
1 纳米科技概念与发展简史
纳米尺度 ： 1－100nm (10－9－10－7 m) － 特殊效应： 小尺寸效应，表面、界面效应，量子尺寸效应，量子隧道效应. 特殊效应： 小尺寸效应，表面、界面效应，量子尺寸效应，量子隧道效应 纳米科技： 在纳米尺度范围内认识自然，改造自然。 纳米科技： 在纳米尺度范围内认识自然，改造自然。 (Nano-ST) 在分子、原子的水平上操作，创造出新的分子水平上的组织、 在分子、原子的水平上操作，创造出新的分子水平上的组织、 器件(新的物质 新的物质)。 器件 新的物质 。 目标是直接以原子、 目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的 新颖物理、化学、生物学特性，以创造出特定功能的产品。 新颖物理、化学、生物学特性，以创造出特定功能的产品。
2000.1.21 Clinton 在加州理工学院演讲： 在加州理工学院演讲： “…… Imagine the possibilities: materials with ten times the strength of steel and only a small fraction of the weight; Shrinking all The information housed at The Library of Congress into a device the size of a sugar cube; detecting cancerous tumors when they are only a few cells in size, …….”
3. 推动产品的微型化，高性能化，环境友好化 推动产品的微型化，高性能化，
节省资源、 节省资源、能源 是人类社会继续进步的“可持续发展战略”所必需 是人类社会继续进步的“可持续发展战略” 为此提供新一代的物质和技术保证