纳米材料的制备与应用.ppt

1990年4月IBM 公司的 科学家用35个 氙原子排列 成“IBM”字样,ຫໍສະໝຸດ Baidu开创了人类
操纵单个原子 的先河.
（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因 工程变得更加可控，人们可根据自己的 需要，制造出多种多样的生物“产品”。 （4）纳米微机械和机器人方面：可以利 用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红 血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓， 清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过 把多种功能纳米微型机器注入血管内， 进行人体全身检查和治疗。药物也可制 成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提 高医疗效果，减少副作用。
纳米材料的制备与性能
一、概论
1.纳米科技的基本概念和内涵
纳米科学技术（Nano-ST)是20 世纪80年代末期刚刚诞生并正在 崛起的新科技，它的基本涵义是 在纳米尺寸（1~100nm)范围内认 识和改造自然，通过直接操作和 安排原子、分子创制新的物质。
1nm=10-9m
纳米科技是研究由尺寸在 0.1~100nm之间的物质组成的体系 的运动规律和相互作用以及可能 的实际应用中的技术问题的科学 体系。
能源部
0.58 亿$ 0.94 亿$ 66%
航天航空
0.05 亿$ 0.20 亿$ 300%
商务部
0.08 亿$ 0.18 亿$ 125%
国家卫生所 0.32 亿$ 0.36 亿$ 13%
日本：
早在1991年日本通产省就开始制定并协调国际资 助的纳米科技研究政策，推出耗资1.85亿美元的“原 子技术计划”（1991-2001）和投资4千万美元的“量 子功能器件计划”（1991-2001），两者均与纳米计 划密切相关。
人工制备纳米材料的历史至少 可以追溯到1000多年前：
中国古代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就 是最早的纳米材料。
中国古代铜镜表面的防锈层经检验， 证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层 薄膜。
纳米材料发展的三个阶段
第一阶段：（1990年前）在实验室探索用各 种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成 块体，探索纳米材料不同于常规材料的特殊 性能。
纳米和纳米以下的结构 是下一阶段科技发展的一个 重点，会是一次技术革命， 从而将是21世纪又一次产业 革命。
纳米新科技将成为21世纪科学 的前沿和主导科学。
纳米科技主要包括：（1）纳米体系物 理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料 学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子 学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。
纳米微粒：颗粒尺寸为纳米量级的超细微 粒（1~100nm)。 纳米结构材料（纳米固体）：它是由颗粒 尺寸为1~100nm的粒子凝聚而成的块体、 薄膜、多层膜和纤维。
自然界中早就存在的纳米微粒和纳米固体：天体的陨 石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。 海洋就是一个庞大超细微粒的聚集体。
蜜蜂体内也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。
国际上，以美国、日本、欧盟为代表的发 达国家近年来在纳米科技领域相继启动了一 批重大计划，投入了大量资金，制定了长远 的战略计划，力求在新的一轮高技术竞争中 占有主动权和抢占更大的市场份额。
美国：
美国认为：纳米科学与工程将成为未来科学 与工程中最有可能产生突破性成就的领域， 它将导致下一次工业革命。美国要在这一 新兴领域拥有主导地位，并在21世纪上半 叶保持世界经济和国家安全的领导地位。
2.纳米材料的分类和发展历史
广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至
少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为 基本单元构成的材料。
按维数，纳米材料的基本单元可以分为三 类：（1）零维，指在空间三维尺度均在 纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； （2）一维，指在空间有两维处于纳米尺 度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；（3） 二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜、超晶格等。
最引人注目的是“分子极限操纵的研究与开发” 十年计划（1991-2001），耗资250亿日元，其中1.67 亿美元用于开发微机器人。
欧盟：
欧盟也制定了相应的纳米科技竞争计划，主 要有“欧洲联合幻影计划”，“微电子先进 研究计划”（1996-1999），“纳米技术信 息器件”（1999-2003）计划，EURIMUS计 划（1998-2002），英国的“纳米科技联系 计划”，德国教育与科技部的“纳米科技重 点计划”，法国的“国家微科学技术计划” （1993-2000），以及荷兰、丹麦等国相继 提出了有关纳米科技研究的计划。
美国总统克林顿在2000年1月21日提出“国 家纳米技术计划(NNI)”：2000年投资2.7亿 美元，2001年投资4.95亿美元。
美国国家纳米计划2000年和2001 年的部门预算
2000 年预算 2001 年预算 增长率
国家科学基金会 0.97 亿$ 2.17 亿$ 124%
国防部
0.70 亿$ 1.10 亿$ 57%
第二阶段：（1994年前）如何利用纳米材料 已发掘出来的奇特物理、化学和力学性能， 设计纳米复合材料。
第三阶段：（1994年到现在）纳米组装体系、 人工组装合成的纳米结构的材料体系。
二、纳米微粒的 结构与物理特性
美国白宫战略规划办公室认为：“纳米 材料是纳米科技最为重要的组成部分”
纳米新科技诞生才几年，已在几 个重要的方面取得了重要的进展：
（1）美国IBM公司两名科学家利用扫描隧 道电子显微镜(STM)直接操作原子，成 功的在Ni基板上，按照自己的意志安排 原子组合成“IBM”字样。
（2）在纳米材料方面：德国的格莱特和美 国的席格先后研究成功的纳米陶瓷CaF 和TiO2，在室温下显示出良好的韧性， 在180C经受弯曲而不产生裂纹。 纳 米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
我国
2001年7月江泽民主席接见纳米科学家
上海
2001年7月上海成立纳米促进中心 上海市两个产业化基地:徐汇基地和上海大学
美国IBM公司首席科学家 Armstrong说：
正象20世纪70年代微电子 技术产生了信息革命一样，纳 米科学技术将成为下一世纪信 息时代的核心。
我国著名科学家钱学森预言：