神奇的纳米材料PPT课件

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本堂课程提纲
1. 基本概念 2. 纳米的起源和发展 3. 观察纳米世界的主要工具 4. 纳米技术包括的方面
1. 纳米材料 2. 纳米加工技术 3. 纳米生物医药
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1. 基本概念
纳米 (nanometer, nm) ＝ 十亿分之一米 （10-9 m）
神奇的纳米材料和纳米技术
暨南大学 物理学系 麦文杰 博士
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纳米技术很可能是 连接粒子现象和太空现象的技术 连接童话世界和未来世界的技术
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尺寸现象 怪蟒
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太空穿梭机 Space Shuttle
现在情况:
• 总共建造了5架太空穿 梭机, Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis and Endeavour.
• 优点:
穿梭机 升降机
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有效载荷 每千克成本
22,700 千克 ~5000 美元
连续
~500 美元
Space elevator structural diagram
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太空升降机 一个梦想? (1)
材料的角度
应力
这升降机的缆绳的性能要求很高， 必须有非常高的强度/密度比。如果 材料的密度跟石墨接近的时候，强 度需要达到 65–120 GPa。
• 每次有效载荷 50,000 磅 (22,700 千 克)
• 大约每年每架飞行1次
Space Shuttle Atlantis
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童话世界
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未来世界
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太空升降机 一个梦想? (1)
物理的角度
• 太空升降机基本设计目的 就是使人们能够连续不断 地把物质从地球表面运送 到太空
扫描隧道显微镜的基本原理 量子力学起基本作用
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3.2 原子力显微镜 （AFM）
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针尖：
原子力显微镜的示意图
接触模式下扫描样品表面
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工作原理的示意图
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展示原子力显微镜的工作情况的小电影
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主要功能－－表面成像
轻敲模式下得到的硅（111）表面的 三维形貌。单原子层台阶（0.3nm) 清楚可见。
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• 2001年 当时美国总统Clinton建立了 National Nanotechnology Initiative ( NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。
The covers of the reports from the National
Nanotechnology Advisory Panel to US President.
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轻敲模式下得到的氧化锌 纳米线放在有刻槽的硅衬 底上。
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主要功能－－力学测量
典型的力学曲线
太空升降机 一个梦想? (1)
• 碳纳米管的强度/密度比大约是钢的200－600 倍，因此可能成为太空升降机的材料。
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单壁碳纳米管的三维模型
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把梦想变成现实
• 教导 “纳米基本知识” • 寻找机会 • 产生新想法 • 提供概念 • 制造原型 • 商业化产品 • 取得价值 • 制造工作岗位
• 1nm与1m相比，相当于玻璃弹珠跟地球相比
• 当一个男人把剃须刀放下那一小段时间，胡子已经 长了大约1 nm
• 分子中原子之间间隔是 0.12-0.15 nm • DNA双螺旋结构的直径 ～2 nm • 最小的细胞（Mycoplasma细菌）长度 ～200 nm
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纳米技术研究的是至少在一个维度上已经进入纳米 尺度（0.1-100 nm) 范围的材料或者器件的相关现象。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内 容涉及现代科技的广阔领域。 包括了纳米材料学、纳 米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等学科。 从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越 来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平 提高到前所未有的高度。
0D
1D
2D
量子点， 纳米颗粒
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3. 观察纳米世界的主要工具
• 扫描隧道显微镜（STM） • 原子力显微镜（AFM） • 扫描电子显微镜（SEM） • 透射电子显微镜（TEM）
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3.1 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜的照片
刻蚀的钨针尖
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Binning and Rohrer
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An STM image of a silicon surface - each bump is one 16 atom
• 1985年 美国Rice Univ. 科学家Richard Smalley等人发现了Buckminsterfullerene，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
材料
屈服强度 极限强度 密度 (MPa) (MPa) (g/cm³)
钢, ASTM A514 690
760
7.8
凯夫拉尔
3620
1.44
（Kevlar ）纤维
碳纳米管
62000 1.34
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应变
建材钢的特征 应变－应力曲线 1. 极限强度 2. 屈服强度 3. 断裂强度 4. 应变硬化阶段 5. 颈缩破坏阶段 8
碳纳米管， 各种纳米线
薄膜
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2. 纳米的起源和发展
• 1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是 可能的。
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• 1981年 观察原子世界的主要工具－－扫描 隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）诞生
C60
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• 1989年 IBM科学家利用STM把35个氙 （Xenon）原子在光滑表面排列出IBM三个 字母，实现对单个原子的操纵。
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• 1991年 日本科学家Iijima发表了关于碳纳米 管（CNT）的研究，激起了世界范围对纳 米科技的研究热情