纳米材料的发展与展望

纳米材料的分类
• 1.按结构：
• 零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的 材料，如 纳米粒子、原子团簇等 • 一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米 线 纳米管 • 二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料， 如超薄膜 • 三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm 的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理 工序后所生成的致密性固体材料。
• 2008年2月1日 • 亚利桑那州立大学David K. Ferry提出利用纳米线 连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高 计算机的运行速度。
• 利 用 纳 米 磁 学 中 显 著 的 巨 磁 电 阻 效 应 (giant magnetoresistance) 和 很 大 的 隧 道 磁 电 阻 (tunneling magnetoresistance)现象研制的读出磁 头将磁盘记录密度提高30多倍。 • 1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实 验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结 构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列 成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分 离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵 列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。
• 芯片厂商英特尔冀望于用碳纳米管取代半导体芯 片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片 厂商面临的一些大问题。 • 芯片厂商在 90 年代从把连线从铝线转变为铜线从 而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的 缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇 到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可 能成为替代金属连线的解决方案。 预计碳纳米管是理想的导体，它的导电性很可能远远超 过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米 管最终可以用于纳米级的电子线路
• 纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末、90年 代初。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具 －－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温 下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子 世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美 国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞 生。
• 从通常的关于微观和宏观的观点看，纳米级这样的系 统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种 典型的介观系统。当人们将宏观物体细分成超微颗粒 （纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质 和大块固体时相比将会有显著的不同。
1.表面效应
• 表面效应是指纳米超微粒子的表面原子数与 总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅 度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增 加，从而引起纳米粒子性能的变化。 • 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合 能与内部原子有所不同,存在许多悬空键,并具 有不饱和性,因而极易与其他原子相结合而趋于 稳定,所以,具有很高的化学活性. • 利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选 择性的催化剂。
纳米材料
• 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成, 一 般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇 和宏观物体交界的过渡区域。 • 纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固 体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的 超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固 体材料。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在 100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。
2.小尺寸效应
• 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起 颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏 观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒 而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加， 从而产生如下一系列新奇的性质。 （1） 特殊的光学性质 （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4） 特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电 性能、声学特性以及化学性能等方面。
H2
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集成电路
一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有 许多的沟槽，这张片能够清晰的显示出沟槽的 深浅和走向。
CPU
SRAM
静态随即存储器
激光唱片
肉眼看激光唱片(Compact Disk, CD)，表面十分光 滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和 突起。
纳米存储器
• 上图：Millipede - 第 一个应用于数据存 储的纳米技术 • 下图：Millipede存储 芯片的实验室原型。
3.量子限域效应
• 微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级 由准连续能级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移 动，这种现象称为量子尺寸效应。 对于宏观物体包含无限个原子，N→∞，于是δ→0，即 宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原 子数有限，N值很小，能级间距将发生分裂，这就导致 纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特
• 一、概述 • 二、纳米材料的概念和分类 • 三、纳米材料的特性 • 四、纳米材料与纳米技术的应用 • 五、发展与展望
一、纳米概念的诞生
如果有一天可以按照人 的意志安排一个个原子， 将会产生怎样的奇迹？
1959 年，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作 的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳 米技术思想的来源。
纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一 米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人 的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一 般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大 小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、 分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳 米是10埃。
纳米服装
二个月不用洗——信不信由你
在生物医学领域的应用
纳米泵人造红细胞
• 它比体内血液 中的红细胞要 多携带200多 倍的氧气
血液形态图
纳米药包
• 诺贝尔奖得主斯莫利的预言 ； • 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种 只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药 包的微型芯片； • 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放 到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时， DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关 受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细 胞；
• 目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆 品问世。
3.走进你家里
• 纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧 化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌 及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。 • 杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可 以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。 对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。
碳纳米管场发射显示器
1999年韩国，2000年日本制成显示器样管
在化工领域中的应用
1.汽车尾气
含铅汽油中的铅很容易通 过血液长期蓄积于人的肝、 肾、脾、肺和大脑中，从 而导致人的智能发育障碍 和血色素制造障碍等后果。
汽车尾气的处理：加入纳米级的 复合稀土氧化物后，对尾气的净 化特别明显，尾气中的CO、NOx 几乎完全转化。
纳米就在我们身边
纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成 的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等 就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000 年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料 和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜 表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜 蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。
纳米世界的眼和手—扫描隧道显微镜
（STM）
STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。
原子力显微镜（AFM）利用激光检测针尖与表面相 互作用进行表面成像
二、纳米技术与纳米材料的概念
• 过去，人们只注意原子、分子或者宏观 物质，常常忽略纳米这个中间领域，而 这个领域大量存在于自然界，只是以前 没有认识到这个尺度范围的性能 。
纳米技术和基因疗法的结合
• 瑞典科学家制作的微型医 用机器人，可移动并捡起 肉眼看不见的玻璃珠。 • 用这种微型机器手将果蝇 的染色体基因进行信号移 动，培育出的果蝇多长了 一个胸脯和翅膀，甚至把 果蝇的眼睛和翅膀挪位；
果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王 图中左侧为雌性，右侧为雄性
• 成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。 • 用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副 作用。 • 科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人， 在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断， 并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除 心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒， 杀死癌细胞。 • 小型摄像机 ：用于检测消化系统疾病。
四、 纳米科技的应用
• 光电材料 • 环境和能源 • 生物医学 • 航天和航空 • 军事
光电材料
碳纳米管
• 碳纳米管是直径非常细的中空管状 纳米材料，它能够大量地吸附氢气， 成为许多个“纳米钢瓶” 。 研究表明，约2/3的氢气能够在常 温常压下从碳纳米管中释放出来。 有人预测，可以生产出储氢的汽车， 只需携带1.5升左右的储氢纳米碳 管，即可行驶500km。
纳米颗粒表面效应——活性
• 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金 属颗粒会迅速氧化而燃烧。如果将金属铜或铝 做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激 烈的燃烧，发生爆炸。如要防止自燃，可采用 表面包覆或控制氧化速度，使其缓慢氧化生成 一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。 • 用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有 更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料， 也可用作烈性炸药。
Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells. Nature 451, 770-771 (14 February 2008) |
纳米机器人
• “纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理 为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功 能分子器件”。
2.拯救水资源
• • 特种半导体纳米材料使海水淡化； 纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废 水，降解石油 ……
• 利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高 的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。 • 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中， 则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系 中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽 紫外线。
2.按组成可分为：
• 金属纳米材料 • 半导体纳米材料 • 有机和高分子纳米材料 • 复合纳米材料：无机粒子与有机高分子复合材 料，无机半导体的核壳结构
3. 按材料物性可分为：
• 纳米半导体
• 纳米磁性材料
• 纳米非线性光学材料 • 纳米铁电体 • 纳米超导材料 • 纳米热电材料
三、纳米材料的特性
• 1993 年，继 1989 年美国斯坦福大学搬走原子 团“写”下斯坦福大学英文名字、 1990 年美 国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排 出“ IBM”之后，中国科学院北京真空物理实 验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字， 标志着我国开始在Leabharlann Baidu际纳米科技领域占有一席 之地。
• 1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京 真空物理室利用 STM在单晶硅表面上通过提走 硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子的 “毛泽东”。汉字的大小只有几个纳米 • 白春礼院士 • 1988年4月12日， 中国第一台计算机 控制的STM研制成功。
性不同，从而产生量子尺寸效应。
例如，温度为1K时，直径小于14nm 的银纳米颗粒会变 成绝缘体。
4.宏观量子隧道效应
隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子 的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一 势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的 磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具 有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产 生变化，故称之为宏观量子隧道效应。