纳米功能材料及应用

• 这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电 子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物种 再选等方面具有非常重要和广泛的应用。
1984 年 ， 德 国 萨 尔 大 学 的 Gleiter教授等人首次采用惰 性气体冷凝法制备了具有清 洁表面的纳米金属粉末，然 后在真空室中原位加压成纳 米固体，并提出了纳米材料 界面结构模型，制备了具有 清洁表面的纳米晶体Pd, Fe, Cu 等 块 状 材 料 。 随 后 发 现 TiO2 纳米陶瓷在室温下出现 良好韧性，使人们看到了改 善陶瓷脆性的希望。
什么是纳米？
纳米（Nano-meter）希腊语“侏儒” 数学尺度 1 nm=10-9m=10 埃。 头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排 起来的长度。
原子核 C60球
氢原子
10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101
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纳米多层膜系统巨磁电阻效应 1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电 阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的 急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把 这种效应命名为巨磁电阻效应（Giant MagnetoResistive，GMR）。就在3年前，德国格林贝格 尔教授在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结 构中也发现了完全同样的现象。
• 壁虎飞檐走壁 • 每只脚底部长着数百万 根极细的刚毛，而每根 刚毛末端又有约400根至 1000根更细的分支 。这 种精细结构使得刚毛与 物体表面分子间的距离 非常近，从而产生分子 引力。 • 动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机 器，就是人们熟知的蛋白质。
• 而细胞则可以说是由这些纳米机器在组装而成的微米机器。
纳米科技的技术依托—电子显微镜
• 由于光波长及其相干性，其极限分辨率 ~0.1m,用光学显微镜是看不到纳米尺寸的物 体的。 • 1932年，德国的Ruska发明了世界上第一台 透射电子显微镜，为探索微观物质世界打下 了基础。1986年诺贝尔物理奖 • 到1998年，透射电子显微镜的分辨率已达到 0.13nm。但是透射电子显微镜只能看，不能 搬动原子。
处于微观和宏观之间的“介观”世界，带 来一系列的“奇异性”、“突变”，导致 纳米材料、纳米器件一系列新功能、新现 象
<1nm(原子尺度)---物理学 ~nm(分子尺度)---化学 nm-0.1m----知识的鸿沟 0.1m-100m(晶粒)----材料科学 >0.1mm(器件，肉眼)----机械制造、力学、航空航天 >??（望远镜）----天文学
纳米功能材料及应用
• 教学内容及要求 第一章 绪论 第二章 纳米微粒的基本性质 第三章 纳米微粒的结构及物理化学特性 第四章 纳米微粒的制备方法 第五章 纳米功能材料的制备 第六章 纳米功能材料在航天航空工业中的应用 第七章 纳米功能材料在能源、化工、环保中的应用 第八章 纳米功能材料在机、电中的应用 第九章 纳米功能材料在信息、通讯中的应用 第十章 纳米功能材料在生物、医学中的应用
用扫描隧道显微镜 的针尖在铜表面上 搬 运 和 操 纵 48 个 Fe 原子，使它们排成 圆形。圆形上原子 的某些电子向外传 播，逐渐减小，同 时与相内传播的电 子相互干涉形成干 涉波。
• 1991年，日本日立 研究室实验了在室 温 下 用 STM 移 去 二 硫化钼晶体表面上 的一些原子，进行 单原子操纵，以原 子空穴的形式写下 了“Peace 91”的字 样，其每个字母的 尺寸均小于1.5纳米 。
现代纳米科技的启蒙—“底层大有可为”
1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖得主费因 曼Feynman，在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为： 《底层大有可为》 “There„s Plenty of Room at the Bottom” 的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激情地说：“当我们深入并 游荡在原子的周围，我们是在按不同的定律活动，我们会遇到许 许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的 奇迹？！” 他我们描述了一副激动人心的画面：通过人为地操 纵单个原子，来构造我们需要的特定功能的物质如同用原子来搭 积木！
纳米材料及纳米技术的自然存在
• 人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是 由纳米尺寸的微晶组成。 • 天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体 粒子 • 蜜蜂的定向：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子， 具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。 以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞 向同伴传递信息来辨别方向。最近，英国科学 家发现，蜜蜂利用罗盘来判明方向。
• 在Xe原子搬迁后，又实现了 分子的搬迁排列。在铂单晶 的表面上、将吸附的一氧化 碳分子(CO)用STM搬迁排列 起来、构成一个身高仅5nm 的世界上最小的人的图样。 用来构成这图样的 CO分子 间距离仅为0.5nm, 人们称它 为 “一氧化碳小人”。
• 来自同一实验室 的科学家又用48 个铁原子排列在 铜表面上组成了 汉字“原子”两 字。汉字的大小 只有几个纳米。
中国古代的“纳米技术”--无意识
• 人工制备纳米材料至少追溯到1000 多年前。
• 中国古代利用蜡烛来燃烧收集碳黑作为墨的原料（中国 古代字画历经千年而不褪色），是最早的纳米材料。 • 中国古代铜镜表面的防锈层经检验为纳米氧化锡颗粒构 成的一层薄膜。 • 古代的宝剑等微晶化增强已经得到科学证实。欧冶子 • 但当时人们并不知道这其中的原因，不知道是纳米技术 的作用，因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒。 他们只知道这样的工艺所做的工件好。
蚂蚁
m
nm
纳米领域
um
电子显微镜
mm cm
肉眼可识别 光学显微镜
10
122 183 15 96 39 0 15 6 12 18
跳蚤
头发
红细胞
病毒
单壁纳米 碳管
DNA Pt/TiO2 颗粒
1. 概述
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10
122 183 15 96 39 0 15 6 12 18
10 cm
1 cm
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富勒烯就像磁铁一样，具有吸附自由基的特性， 能够扮演「自由基清道夫」的角色，可以降低人 体因为新陈代谢、外在环境影响所产生的自由基。 目前富勒烯的运用范围极为广泛，除了抗老化保 养之外，在工业半导体、重大疾病的防治上，也 受到极大的重视。 Fullerence C80为富勒烯的衍生物，其高稳定、 抗自由基、抗氧化、细胞启动重组功效及医学防 癌领域中的应用被广泛关注。
10
122 183 15 96 39 0 15 6 12 18
100 μm
10 μm
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10
122 183 15 96
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10
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10 nm
1 nm
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微观和宏观 ----一个相对概念
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阿尔贝· 费尔和彼得· 格林贝格尔因分别独立发现 巨磁阻效应而获得2007年诺贝尔物理学奖。 ----硬磁盘的数据读出头（Read Head）：体积 小而灵敏 ----计算机硬盘存储密度提高50倍 1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的 读出磁头，磁盘记录密度提高了17倍。1995年， 宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出 头，创下了当时的世界记录。硬盘的容量从4Ｇ B提升到了600ＧB或更高。
• 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K 和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的 IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当 年最了不起的公司广告。 • 每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁 的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位 臵而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。
纳米科技就在你身边，你正在享用！
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政府的巨额资助—巨大的机遇与挑战
2000年1月21日，美国总统克林顿宣布，美国将从2000年10月 1日起实施一项新的国家计划——国家纳米科学技术计划 （NNI），并把其作为美国政府当前科技研究与开发的第一优 先计划。据报道，美国政府在2001年预算中用于纳米科技研究 与开发的经费高达4.95亿美元，增幅几乎是翻了一番。 美国总统科技助理写信给国会称: 纳米技术将与信息技术或生物 技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引 导下一场工业革命(leading to the next industrial revolution)， 应把它放在科学技术的最优先地位(top priority)。 2003年11月，通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，标志 着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研 究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
• 海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航
• 螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱
• 莲花效应 —莲花出污泥而不染 • 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。表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约 为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直 径为200纳米左右的突起组成的。
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C60等富勒烯（Fullerence） 采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质 谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高， 通称为C60。
Robert F. Curl Jr.
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富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由 非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭 球形结构的共轭烯。其中C60是由60个碳原子以20个六 元环和12个五元环连接而成，具有30个双键(C=C)的足 球状空心对称分子，所以，富勒烯也称为「足球烯」。 1996 年诺贝尔奖。