第一章 纳米材料概述

在自然界中普遍存在

人和兽类的牙齿表层——研究表明，人的牙齿 之所以有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等 纳米材料构成的；传递生命遗传信息的DNA就 是一条具有双螺旋结构的纳米链；人体内的骨 骼就是由无机物羟基磷灰石和有机物纤维性蛋 白骨胶原组成，羟基磷灰石大约占60%，以一 种长20~40纳米、厚1~3纳米的针状结晶存在， 其周围规则排列着骨胶原纤维。
纳米材料历史-20世纪

1931年德国科学家Ernst Ruska发明了世界上第一 台电子显微镜，可以对纳米尺度的物质进行观察， 相当于人们认识纳米世界“眼睛”
分辨率: 约1纳米
“There's Plenty of Room at the Bottom”

。
The classic talk that Richard Feynman gave on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) was first published in the February 1960 issue of Caltech's Engineering and Science, which owns the copyright. (available at http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html)
纳米材料时代

任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或有小 于100nm的基本单元组成的材料，可以是晶体、 非晶、准晶。
1.1.2 纳米材料历史-18世纪以前


中国古代利用燃烧蜡烛来收集碳黑作为墨的原 料以及用于着色的染料，这就是最早的纳米材 料； 中国古代铜镜表面的防锈层
Black mirrors occupy an important position in Chinese bronze cultural relic. …….The shiny black surface has excellent corrosion-resisting properties……chiefly consisting of nanometer-sized SnO2, is as thick as 100um…. Analysis method: XRD, SAXS, SEM,HREM, TEM, Raman SnO2 Grain size : 3-4 nm (Han and Tang dynasty) 王 昌 遂 et al.(1995) Nanostructured Materials v5 p. 489-496, 1995
纳米材料学
合肥工业大学化学工程学院 王忠兵 zbwang@hfut.edu.cn
本课程的目的
本课程为化学、化工学科本科生的专业选修课， 也可作为物理、材料科学等与此相关专业的选 修课。纳米材料学是一门迅速发展中的高度交 叉的综合性学科，主要研究纳米材料与纳米结 构的化学合成，结构分析与表征，及其特殊的 物理化学性能。通过本课程的学习，掌握纳米 材料的基本内容，为以后从事相关领域内的研 究打下基础。
纳米（nanometer）是一个长度 计量单位，1nm = 10-9m
In Greek, “nano” means dwarf
gigamegakilometer decicentimillimicronanopico-
Really really really small!!!
femtoatto-
fm

1981年，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）的发现,是人们认识纳米世界 的“手”；随后在1986年，又发明了原子力显微 镜（Atomic Force Microscope，AFM）。这些扫 描隧道显微镜系列（SPM）极大促进了纳米科技 的发展。
am
10-15
10-18
quadrillionth
quintillionth
Sizes of Objects
Andromeda（仙女座） Galaxy 1022m
Solar System 1.2 x 1013 m
Sun 1.4 x 109 m
Earth 1.2 x 107 m
Singapore 4.2 x 104 m by 2.3 x 104 m



蜜蜂的记忆——蜜蜂腹部具有“罗盘”作用的磁性纳米粒子，为蜜蜂复 杂的活动引领方向。当蜜蜂外出采蜜时，所到之处，花草树木等的图像 便储存进这些纳米粒子中，形成记忆。当它们满载待归时，就启动这种 记亿，实质上就是把所储腹部的磁性纳米粒子存的图像与自己看到的图 像进行对比和移动，直到达两个图像完全一致，它们就可以找回家了。 横行霸道螃蟹——亿万年前，螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触角 里有几颗磁性纳米微粒，螃蟹便拥有了用于定向的几只小“指南针”。 靠这种高精度的“指南针”，螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退，行定自 如。后来，由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角里的那几颗珍 贵的纳米小磁粒发生错乱，失去了正确指示方向的功能。于是，晕晕乎 乎的螃蟹便开始横行，从此落得个蛮横的名声。 海龟远航:美国东海岸佛罗里达有一种海龟，它们在佛罗里达的海边上产 卵。当小海龟孵化出来后，就不远万里，长途跋涉到大西洋的另一侧— —靠近英国的小岛附近的海域生活。成年的海龟还要回到佛罗里达产卵。 从佛罗里达到该岛，再回到佛罗里达，生性散漫的海龟并没有走回头路， 而是历时5—6年的时间，悠哉游哉，环大西洋巡游。如此准确的远洋航 行，是靠什么导航呢?美国科学家发现，海龟头部有磁性的纳米微粒，它 们正是凭借这种纳米微粒，准确无误地完成几万公里行程。
Xenon on Nickel (110)
Ref: D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).

1991年日本电子公司（NEC）的饭岛（Sumio Iijima）。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 的导电性能、导热性能和电性能。
Richard Feynman



1962年，久保(Kubo)针对金属超微粒子的研 究，提出了著名的久保理论，即金属超微粒 子将出现量子效应； 1974年Norio Taniguchi最早使用纳米技术 （Nanotechnology)一词描述精细机械加工； 20世纪80年代至90年代是纳米材料和科技迅 猛发展的时代。
30.927
7.489
一些专业期刊
http://pubs.acs.org/
7.419
9.847
一些专业期刊
http://www3.interscience.wiley.com
9.596
9.107
6.770
课程要求

课后查阅一些纳米材料相关的国际知名学术期 刊；
完成一份与纳米材料相关的英文文献翻译。

内容

第一章 纳米材料概述 第二章 纳米粉体的制备方法 第三章 纳米材料的表征 第四章 常见的纳米材料 第五章 纳米材料的发展前沿
第一章 纳米材料概述
1.1 纳米材料基本概念

1.1.1纳米材料与纳米科学技术
exapetateraEm Pm Tm Gm Mm km m dm cm mm mm nm pm 1018 1015 1012 109 106 103 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 quintillion quadrillion trillion billion million thousand one tenth hundredth thousandth millionth billionth trillionth
分辨率: 约0.01纳米

纳米材料学成为相对独立的学科 1990年7月在 美国巴尔的摩召开了世界上第一届纳米材料科 学技术会议，正式提出了纳米材料学、纳米生 物学、纳米电子学、纳米机械学等概念，并决 定正式出版《纳米结构材料》、《纳米生物材 料》、《纳米技术》等学术刊物；
Single Atom Manipulation
Mount Everest Height 8.9 x 103 m
Raffles City Height 2.8 x 102 m
Apatosaurus Length 2.1 x 101 m
莱佛士城
Sizes of Objects
Housefly ~7.5 x 10–3 m African Elephant Height ~ 3.3 m Rabbit (Length) ~ 3 x 10-1 m
参考书目


张立德，牟季美，《纳米材料和纳米结构》，科学出版社， 2001年 刘吉平，廖莉玲，《无机纳米材料》，科学出版社，2003年 朱静，《纳米材料和器件》，清华大学，2002年
一些专业期刊
http://www.nature.com
29.273
15.941
一些专业期刊
http://www.sciencemag.org/ http://prl.aps.org/
Carbon-Carbon Bond Length ~1.5 x 10-10 m
Atom ~10-10 m Nucleus ~ 10-14 m
21世纪主导技术



21世纪科学技术发展的主流：生物科技、信息 科技、纳米科技(BT, IT 和NT) 生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因 生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然 界不存在的生物。 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大 事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。
人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而 这较小的机器可以制作更小的机器, 这样一步步 达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后 直接按意愿排列原子,制造产品.那时, 化学将变成 根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。 当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到 1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器 而感到惊讶。
LYCURGUS (莱克格斯)CUP
纳米材料历史-19世纪


照相术:感光胶片上的卤化银颗粒，颗粒越细 小，照片质量越好。 19世纪中期，对胶体化学(Colloid Chemistry) 的研究，对象是1~100nm的粒子，然而当时并 没有意识到。1856年Michael Faraday 制备出 了第一个Au溶胶。


出淤泥而不染的荷花——荷叶自清洁效应——荷叶的 表面有着复杂的纳米结构，从而在其表面形成一层极 薄的空气层。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，落 到叶面上时，与叶面之间隔着一层空气。水在自身表 面张力的作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰 尘粘落，形成“自清洁”现象。 白毛浮绿水——为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并 不会湿呢?原来，鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间 的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。其他可以浮 水的禽类，如鸭，也有同样的功能。
Cross section of human hair ~ 8 x 10-5 m
Red Blood Cell 7x10-6 m by 1ห้องสมุดไป่ตู้x10-6 m
Carbon Atom
Carbon Atom
Virus (Length) ~9 x 10-7 m
CdSe Nanocrystal ~3 x 10-9 m
纳米科技内涵

纳米电子学、纳米加工学和 纳米生物学就是这座大厦那 金碧辉煌的屋顶，是衡量一 个国家纳米科技发展水平的 标志。纳米材料学和纳米测 量学是这座大厦的支柱，这 两个领域的发展水平直接关 系到纳米技术各个领域的发 展。而纳米体系物理学、纳 米化学和纳米力学是这座大 厦的基础
纳米材料学
• 材料是一个社会的支柱之一： 石器时代—青铜器时代—铁器时代—钢的时代 —计算机时代(高纯度的单晶硅)—？？
纳米科学技术



在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技 术称为纳米科学技术。纳米技术本质上是一种 用单个原子、分子制造物质的科学技术。 纳米科学是科学发展到一定程度时的必然阶段 。它不是传统意义上的属于科学的一个学科或 分支。 象科学是有多学科组成一样，纳米科学也是有 多学科组成的。多学科是纳米科学的“天赋” 。 在研究中要充份利用这一特点 。