第一章_纳米材料绪论

不断细化的颗粒——有形物质无限可分的体现
从有到无，而最后的微粒子又是能量的另一种 形式的表现。
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人类认识客观世界的二个层次：
宏观世界、微观世界
宏观上：研究物质的熔点、强度、化学反应活性、 磁性、电导，宏观物理性质等。 微观上：深入到分子、原子层次，建立了量子理论、 晶体理论，原子结构理论、分子结构理论、 化学键理论。
http://www.nanoctr.cn/
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•中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构
的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、 日、德之后，位居世界第四。
•在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手
段离国外还有很大的差距。
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四、纳米新材料及其应用
•高强度与高韧性 •高比热和高热膨胀系数 •高导电率和高扩散率 •高磁化率和高矫顽力 •电磁波的吸收 •集成电路和存储器 •分子马达 •信息科学 •纳米半导体
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第二节 纳米材料在国内外的研究现状
一、纳米科技发展历史 第一阶段 (1990年以前): 实验室探索;
第二阶段 (1994年前):关注奇特物理、化学和力 学性能，设计纳米复合材料; 第三阶段 (从1994年到现在): 纳米组装
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•35亿年前，第一个细胞出现在地球上。 •公元400年前，Democritus提出“atom”概念，
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纳米科技
纳米技术
纳米材料
基础研究
应用研究
超微颗粒 （纳米颗粒）
纳米结构 材 料
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五、纳米科技的主要研究内容
创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米 器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 （1）纳米电子学 （2）纳米物理学 （3）纳米化学 （4）纳米生物学 （5）纳米加工学 （6）纳米计量学
料的国际级专家。
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卢柯 生年：1965 贡献：非晶晶化法制备纳米材料的创造者 单位：中国科学院 院士 当今国际上公认的三种 纳米材料制备技术之一的 非晶晶化法的创造者。
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俞书宏 中国科学技术大学，67年生，合肥微尺度物质科学国家实验室 纳米材料与化学研究部执行主任，国家重大科学研究计划项目首席科 学家。
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世界上最小的IBM商标 1990年IBM 将35个氙原子排列在镍 (110)面上
1993年 将101个铁原子排列在铜 (111)面上
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•1993年，中国
科学院北京真 空物理实验室 自如地操纵原 子，标志着我 国开始在国际 纳米科技领域 占有一席之地。
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纳米中国 中国科学院化学所的 科技人员利用纳米加 工技术在石墨表面通 过搬迁碳原子而绘制 出的世界上最小的中 国地图。 如果把这幅图放大到 一张一米见方的中国 地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领 土的面积。
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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，即相当于一个病毒的重 量。
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二、纳米技术发展展望
第一阶段：准确地控制原子数量在100个以下的纳米结
构物质。
第二个阶段：生产纳米结构物质。 第三个阶段：大量制造复杂的纳米结构物质。 第四个阶段：实现纳米计算机。 第五个阶段：研制出能够制造动力源与程序自律化
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铂单晶表面上的CO小人 世界上最小的汽车—仅4纳米
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•1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团
簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。
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1991年，日本NEC公司的饭岛等发现碳纳米管
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H2原子和C纳米管
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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。
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德国政府:
德国教育研究联邦政府（BMBF）是德 国纳米技术的主要国家规划者，纳米项目面 向的领域：
①超薄膜；
②超精度表面；
③纳米结构分析；
④纳米材料和分子组装。
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中国政府
•2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米
科学的进展作为“十五”规划中科技进步和
创新的重要任务。
•2001年7月发布了《国家纳米科技发展纲要》
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微/纳米机电系统
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纳米粒子的应用
0.6 0.5 无催化剂 有催化剂
•以太阳光为光源，催
化甲基橙实验。
吸光度 (A)
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120
•有纳米ZnO粉体的甲
基橙溶液中，随着时 间的延长，甲基橙浓 度逐渐降低。显示了 ZnO对甲基橙的催化 分解。
昆虫翅膀的自洁作用
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可以防水的羽毛
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四、 纳米科技
纳米科技：在纳米尺度（l~100纳米）上研究物质 （包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以 及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。
是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代 科学（量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术结 合的产物。
纳米材料与技术
授课教师: 魏显起 教授
考核方式：
1. 期末闭卷考试(或论文） 2. 课内讨论、答辩
1、课堂考勤+课堂提问+课后作业+课内讨论 2、课堂考勤+小组汇报讨论+论文答辩+作业
成绩组成：
期末50%+课内讨论、答辩、作业50%。
学时分配（32学时18+12）：
第一章 绪论 3学时 第二章 纳米材料的结构与性质 3学时 第三章 纳米材料的制备方法 3学时
第四章 纳米材料的表征
第五章 纳米材料的应用 第六章 几种典型的纳米材料
3学时
3学时 3学时
含三次小组讨论课，一次撰写报告
第一章 绪论
第一节 纳米材料的定义 第二节 纳米材料在国内外的研究现状
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第一节 纳米材料的定义 一、引言——纳米科技的“热”
纳米技术是世界先进国家争夺
的战略制高点
纳米技术产业发展的水平将决
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时间(min)
纳米ZnO光催化研究
五、中国“纳米牛人”
张立德 生年：1938 贡献：把纳米概念引入中国的第一人 单位：合肥固体物理所 《 纳米材料学》 《 纳米材料和纳米结构》
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钱逸泰 生年：1941 贡献：溶剂热合成的发明者之一 单位：中国科技大学 院士
溶剂热合成的发明者之一，是溶剂相合成纳米材
•纳米科技研究的重要仪器
扫描隧道显微镜(STM) 原子力显微镜(AFM)等
移动
displacement
提取 extraction 放置 deposition 单原子操纵示意图
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1982年，IBM公司的科学家瑞士人海因里希· 罗勒 和德国人及其合作者发明了扫描隧道显微镜 (STM)，利用这种技术可以分辨出单个的原子。
定着一个国家在世界经济中的 地位
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机而美 器研国 人制用 的的于 手纳军 臂米事
新技术革命发展的要求，刺激了新材料的发展，纳米技
术的发展，使具有特异功能的各种纳米材料成为可能 6
二、认识纳米 韩非子：“凡物之有形者，易裁也，易割也。 何以论之？有形，则有短长，有短长则有大小” 公孙龙：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”
的元件和装置。
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三、纳米科技的政府行动
2003年美国国家纳米技术投资预算（单位：万美元） 国 防 部 司 法 部 交 通 部 能 源 部 环 保 局 航空航天 健康研究所 国家科教 美国农业部 总计 20300 140 200 13930 500 5100 4320 22100 250 66840
左图：从无序纳米线到 有序纳米线组装结构示 意图； 右图：一维纳米构筑单 元组装方法示意图。 左图：三维高质量碳纳 米纤维仿海绵水凝胶的 宏量制备获得成功； 右图：以细菌纤维素纳 米纤维为支架制备的可 拉伸弹性导体。
http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201208/t20120820_138703.html
时原始凝聚物质形成早期星体中的 纳米结构。
自然界：地球生物的纳米结构--
贝壳和动物骨骼。
原始人类发现火的时候，他们创
造了“人工超微颗粒”－ 烟粒。
西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。
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植物中纳米效应示例
平滑表面
“莲花效应”表面
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纳米陶瓷 纳米涂料 纳米织物
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动物表面的自清洁性
海豚的自洁作用
原子是物质不可分割的最小单位？
•1905年，爱因斯坦在估算糖分子的大小大约1nm
•1931年，马克斯· 诺尔和恩斯特· 茹斯卡发明了电子显微镜，
可以用来观察比纳米还小的物体。
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•“纳米科技”概念的提出
1959年，理查德· 费曼预言：“对细微尺度事物的 操纵，将大大增加我们可能获得物性的范围。”
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纳米（nm），又称毫微米，一纳米等于十亿分之一米
单位
米 分米
编写Hale Waihona Puke Baidu符号
m dm
对主单位的比
主单位 10-1
厘米
毫米 丝米 忽米 微米 纳米 埃
cm
mm dmm cmm μm nm A
10-2
10-3 10-4 10-5 10-6 10-9 10-10
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三、纳米的自然历史
宇宙大爆炸以后的冷却时期，当
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从诺贝尔奖中寻觅纳米科技发展的踪迹
0.1nm
微观 microscopic 团簇 cluster
1nm
100nm
μm
纳米 介观 宏观 nanoscopic mesocopic macroscopic
颗粒的粒径范围
纳米材料的发现是人类从宏观到微观认识层次的一次飞跃 13
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纳米尺度大小的比较