纳米材料学习资料
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4
• 20世纪60 年代人类社会进入了一个被称为“后工业社会”、 “信息社会”、“新经济社会”、“知识社会”等拥有多种名称的 社会。科学家已经在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文 化。 • 在材料科学的积累和进步中，以及在探测材料组织设备的不断 更新和完善的基础上，信息与通讯材料、电子材料、光子材料正创 造着“信息时代”；
• 纳米技术必将成为21世纪科技发展的领头羊。
10
纳米的定义
11
1、纳米的定义
• 纳米(nanometer)是一种几何 尺寸量度单位，简写为 nm
• 1nm=10-3μm=10-6mm=10-9 m • 1纳米是1米的10亿分之一
人类DNA形态(方框边长为10nm)
12
• 在原子物理中使用埃(Å)作为计量 单位
25
熟悉的纳米材料
26
最早的人工纳米材料—墨 • 著名的文房四宝中的墨就包含碳的纳米微粒。 • 我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料。
2000多年前，他们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰 的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉。 • 这种碳粉不但是制墨的原料，而且还可以用做染料。
第二讲 纳米材料(1) Nanometer-Materials
1
引言
哈勃望远镜
天文望远镜
扫描电镜
2
量子力学
原子核物理
粒子物理
• 19世纪末到20世纪初，人们对微观世界的认识已延伸到十分微 小的层次．时间已缩短到纳(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飞 (f)秒(10-15秒)的数量级。描述这些微观体系的学科相继建立， 如原子核物理、粒子物理、量子力学等。在向着这两个极端目 标无尽的征途中，人们蓦然回首，发现我们对原子、分子和宏 观物体之间的中间领域，即纳米领域，却尚未认识和开拓。
膜、超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质，所以，对零维、一维和二 维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。
21
纳米Au颗粒
Jana et al Adv. Mater. 2001, 13, 1389
纳米氧化钴 颗粒
纳米 Hale Waihona Puke Baiduu线
22
1µm
1µm
1µm
1µm
Fe2O3纳米带及其组装的阵列 Wen, et al. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 215.
通信电缆 Co超级存储材料 单分子自旋态控制
5
• 航空航天材料、高聚物、复合材料等也开创了“太空时代”；
航天密封用氢化丁腈橡胶
航天复合管
航天线材
航空轴承
6
• 医学材料、高级陶瓷、生物材料、转基因食物、克隆材 料又开启了“生命复制时代”等等。
各种生物材料
基因测序 7
纳米材料
在信息、航空、生命等不同领域的背后，人们都可以纳米 材料的身影。纳米材料出现许多既不同于宏观体系，也不同于 微观体系的奇异性能，而且这个领域才是对人类自身关系最密 切的物质层次，于是人们集中精力开展纳米科技的研究。
23
一维金纳米线
• 金纳米线拥有良好的电、热、机械等特性，在纳米电子 学领域具有广阔的应用前景。利用高能重离子轰击聚合物 薄膜形成离子径迹，经过化学蚀刻获得重离子径迹模板， 采用电化学沉积的方法将金填充到纳米尺度的孔道中，制 备出不同晶体结构、直径小到20纳米的金纳米线阵列。
二维碳素纳米薄膜
美国佛罗里达大学科研人员最新研制出了一种新型由许 多碳素纳米管C60组成的纳米薄膜，它的质量比钢轻10倍， 但强度却是钢的250倍。这种新型材料用途广泛，可用于航 空、军事、太空以及日常生活等各个领域。
17
纳米尺寸的量度
• 人的身高 10亿nm
• 人头发的直径 60,000-80,000nm
• 血液中的红血球 6,000-9,000nm
• 细菌
2,000-3,000nm
• 病毒尺寸 几十 nm
• •
红
细
病
胞
毒
微观尺度 示意图
18
纳米材料的定义
19
• 在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构 成的纳米薄膜和固体。
• 1 Å =10-10m，1nm=10 Å
• 1nm=1000皮米pm(picometre)
• 1pm=1000飞米fm(femtometre)
• 1fm=1000阿米am(attometre)
• 氢原子直径为1Å
• 1nm=10个氢原子一个挨一个排起
来的长度
C-H化合物中的原子排列
• 纳米是一个极小的尺寸单位
15
• 1微米可看到聚集的染色体 • 100纳米可分辨染色体的两部分 • 1纳米可分辨DNA的分子结构 • 100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓 • 1nm=1000皮米
16
• 100飞米可以从整体上分辨出原子核 • 10飞米可看清原子核中的质子和中子 • 1飞米可分辨出组成质子和中子的夸克 • 100阿米进一步看清夸克，大小为10-10米
方框边长为1nm
13
• 以长度米为坐标单位，人类所研究物质世界尺度大小比较。 • 约10亿光年人类已观察到的宇宙大致范围 • 约10亿光年可看到银河系的全貌 • 1000亿千米可看到冥王星的完整轨道 • 1万千米可分辨地球的一部分
14
• 1千米可分辨城市居民区的建筑排列 • 10米可看清在足球场上的人 • 1厘米可分辨皮肤表面皱纹的局部 • 100微米可分辨人体细胞、大小约17微米
8
毫米文明
微米文明
纳米文明
纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已延 伸到原子、分子水平，人类科学技术已进入一个新的纳米 科学技术时代，人类即将从“毫米文明”和“微米文明” 迈向即将到来的“纳米文明”。
9
• 以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革 命，纳米技术的发展将推动信息、材料、能源、环境、生 物、农业、国防等领域的技术创新，给传统产业带来极大 的变革，进而为人类创造出许多新材料、新产品，彻底改 变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式。
• 现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处 于纳米尺度范围内，或以它们作为基本单元构成的材料。
20
按维数、纳米材料的基本单元可分为： • 零维在空间三继尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原
子团簇等； • 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； • 二维指在三维空间中有—维在纳米尺度，如超薄膜、多层
• 20世纪60 年代人类社会进入了一个被称为“后工业社会”、 “信息社会”、“新经济社会”、“知识社会”等拥有多种名称的 社会。科学家已经在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文 化。 • 在材料科学的积累和进步中，以及在探测材料组织设备的不断 更新和完善的基础上，信息与通讯材料、电子材料、光子材料正创 造着“信息时代”；
• 纳米技术必将成为21世纪科技发展的领头羊。
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纳米的定义
11
1、纳米的定义
• 纳米(nanometer)是一种几何 尺寸量度单位，简写为 nm
• 1nm=10-3μm=10-6mm=10-9 m • 1纳米是1米的10亿分之一
人类DNA形态(方框边长为10nm)
12
• 在原子物理中使用埃(Å)作为计量 单位
25
熟悉的纳米材料
26
最早的人工纳米材料—墨 • 著名的文房四宝中的墨就包含碳的纳米微粒。 • 我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料。
2000多年前，他们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰 的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉。 • 这种碳粉不但是制墨的原料，而且还可以用做染料。
第二讲 纳米材料(1) Nanometer-Materials
1
引言
哈勃望远镜
天文望远镜
扫描电镜
2
量子力学
原子核物理
粒子物理
• 19世纪末到20世纪初，人们对微观世界的认识已延伸到十分微 小的层次．时间已缩短到纳(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飞 (f)秒(10-15秒)的数量级。描述这些微观体系的学科相继建立， 如原子核物理、粒子物理、量子力学等。在向着这两个极端目 标无尽的征途中，人们蓦然回首，发现我们对原子、分子和宏 观物体之间的中间领域，即纳米领域，却尚未认识和开拓。
膜、超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质，所以，对零维、一维和二 维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。
21
纳米Au颗粒
Jana et al Adv. Mater. 2001, 13, 1389
纳米氧化钴 颗粒
纳米 Hale Waihona Puke Baiduu线
22
1µm
1µm
1µm
1µm
Fe2O3纳米带及其组装的阵列 Wen, et al. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 215.
通信电缆 Co超级存储材料 单分子自旋态控制
5
• 航空航天材料、高聚物、复合材料等也开创了“太空时代”；
航天密封用氢化丁腈橡胶
航天复合管
航天线材
航空轴承
6
• 医学材料、高级陶瓷、生物材料、转基因食物、克隆材 料又开启了“生命复制时代”等等。
各种生物材料
基因测序 7
纳米材料
在信息、航空、生命等不同领域的背后，人们都可以纳米 材料的身影。纳米材料出现许多既不同于宏观体系，也不同于 微观体系的奇异性能，而且这个领域才是对人类自身关系最密 切的物质层次，于是人们集中精力开展纳米科技的研究。
23
一维金纳米线
• 金纳米线拥有良好的电、热、机械等特性，在纳米电子 学领域具有广阔的应用前景。利用高能重离子轰击聚合物 薄膜形成离子径迹，经过化学蚀刻获得重离子径迹模板， 采用电化学沉积的方法将金填充到纳米尺度的孔道中，制 备出不同晶体结构、直径小到20纳米的金纳米线阵列。
二维碳素纳米薄膜
美国佛罗里达大学科研人员最新研制出了一种新型由许 多碳素纳米管C60组成的纳米薄膜，它的质量比钢轻10倍， 但强度却是钢的250倍。这种新型材料用途广泛，可用于航 空、军事、太空以及日常生活等各个领域。
17
纳米尺寸的量度
• 人的身高 10亿nm
• 人头发的直径 60,000-80,000nm
• 血液中的红血球 6,000-9,000nm
• 细菌
2,000-3,000nm
• 病毒尺寸 几十 nm
• •
红
细
病
胞
毒
微观尺度 示意图
18
纳米材料的定义
19
• 在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构 成的纳米薄膜和固体。
• 1 Å =10-10m，1nm=10 Å
• 1nm=1000皮米pm(picometre)
• 1pm=1000飞米fm(femtometre)
• 1fm=1000阿米am(attometre)
• 氢原子直径为1Å
• 1nm=10个氢原子一个挨一个排起
来的长度
C-H化合物中的原子排列
• 纳米是一个极小的尺寸单位
15
• 1微米可看到聚集的染色体 • 100纳米可分辨染色体的两部分 • 1纳米可分辨DNA的分子结构 • 100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓 • 1nm=1000皮米
16
• 100飞米可以从整体上分辨出原子核 • 10飞米可看清原子核中的质子和中子 • 1飞米可分辨出组成质子和中子的夸克 • 100阿米进一步看清夸克，大小为10-10米
方框边长为1nm
13
• 以长度米为坐标单位，人类所研究物质世界尺度大小比较。 • 约10亿光年人类已观察到的宇宙大致范围 • 约10亿光年可看到银河系的全貌 • 1000亿千米可看到冥王星的完整轨道 • 1万千米可分辨地球的一部分
14
• 1千米可分辨城市居民区的建筑排列 • 10米可看清在足球场上的人 • 1厘米可分辨皮肤表面皱纹的局部 • 100微米可分辨人体细胞、大小约17微米
8
毫米文明
微米文明
纳米文明
纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已延 伸到原子、分子水平，人类科学技术已进入一个新的纳米 科学技术时代，人类即将从“毫米文明”和“微米文明” 迈向即将到来的“纳米文明”。
9
• 以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革 命，纳米技术的发展将推动信息、材料、能源、环境、生 物、农业、国防等领域的技术创新，给传统产业带来极大 的变革，进而为人类创造出许多新材料、新产品，彻底改 变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式。
• 现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处 于纳米尺度范围内，或以它们作为基本单元构成的材料。
20
按维数、纳米材料的基本单元可分为： • 零维在空间三继尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原
子团簇等； • 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； • 二维指在三维空间中有—维在纳米尺度，如超薄膜、多层