纳米材料 第1讲 概述

纳米材料发展历史
1987年，美国Argonne国家实验室西格尔等采用同样的 方法——气相冷凝法制备了陶瓷纳米TiO2 ；
1990年七月，美国巴尔的摩正式把纳米材料科学作为材
料科学的一个新的分支，这标志着纳米材料学作为作为 一个相对比较独立学科的诞生。 2001年6月，香港科技大学沈平教授的研究组在单根纯 碳纳米管中观察到超导性，表明当碳纳米管细到一定程
度时，其材料性质将发生突变——有助于解决电子在集
成半导体器件中传输时的发热问题
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1.3 纳米材料分类
（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，指在三位空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、
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南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇 物理和纳米科学研究组 国家自然科学基金重大项目： “原子团簇的物理和化学”、 “团簇组装纳米结构的量子性质” 问杨 团先 簇生 物和 理冯 研先 究生 室访
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当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯)
(富勒烯)
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零维纳米材料
三个维度上都在纳米级的材 料，指纳米颗粒，纳米粉末、 纳米球等。
再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将 是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的
微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约
资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态 环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理 论变为现实提供物质和技术保证。
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1.5 纳米材料的奇异特性
1) 表面效应 2) 小尺寸效应 (1) (2) (3) (4) 特殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质
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Thank you for your kind attention!
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壁虎的吸盘结构
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1.2 纳米材料发展历史
组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与 “大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者 德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。 1984年，德国萨尔布吕克大学格兰特教授首次用惰性气 体凝聚法制备了具有清洁表面的黑色纳米金属粉末粒子；
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化。根据性质设计各种特殊功能纳米材料。
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1.1 基本概念
1.2 纳米材料发展历史
1.3 纳米材料分类
1.4 纳米材料的重要地位 1.5 纳米材料的奇异特性 1.6 纳米材料的应用 1.7 纳米材料的研究内容
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小测验
1.什么是纳米材料？ 2.纳米材料的分类及基本特性？ 3.纳米材料的主要应用。
2005年4月科学美国人
非挥发性完美的
结合 • 耗电量低 • 较好地抵抗可能 出现的高温，低
温或磁性损坏
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利用纳米碳管这种微小素材可以制造出强度达 钢100倍,密度却只有钢的1/6的材料。
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1.7 纳米材料的研究内容
1)系统地研究纳米材料的微结构
通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，
建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。 2)发展新型纳米材料。 目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模 制备的质量控制中, 如何做到均匀化、分散化、稳定
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1.1 基本概念
纳米（nano meter，nm） 是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之 一微米。大约是三、四个原子的宽度，1纳米 = 10-9米。 纳米科学（nano-science）
研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异 功能的科学。
纳米科学技术（nano-technology）
是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的 科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代 技术结合的产物。
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纳米在长度单位中所处的位置
单位 米 分米 厘米 毫米 丝米 编写成符号 M Dm Cm Mm Dmm 1/10 1/100 1/1000 1/10000 对主单位的比 主单位 10-1 10-2 10-3 10-4
忽米
微米 纳米 埃
Cmm
μ Nm A
1/100000
1/1000000 1/1000000000 1/10000000000
10-5
10-6 10-9 10-10
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一纳米有多小？
Human Hair 100 m Take 1 slice 100 slices
Human Hair
Take 1 slice
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
粒径10nm,比表面积90m2／g 粒径5nm,比表面积180m2／g
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0
粒径2nm,比表面积450m2／g．
%
10
20
30
40
50
3) 宏观量子隧道效应
电子能级
(1)量子尺寸效应 (2)量子隧道效应
大块材料
量子阱
物质。
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生物医学领域
• 纳米机器人是纳米生 物学中最具诱惑力的内 容。纳米机器人可注入 人体血管内，可以进行 全身健康检查，疏通脑
血管中的血栓，清除心
脏动脉脂肪淀积物，吞 噬病毒，杀死癌细胞。
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纳米管存储器
• 存储量大 • 底成本和闪存的
interconn ect Carbon nanotube ribbon electro de
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许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科 学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科 技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的 希望和重要意义。150年前,微米成为新的精确标准, 并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使 用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优 势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米 作为新标准,并首先学习和使用它的国家。 --- H.Rohrer, IBM苏黎世实验室,1993年
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； 具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应； 显示出许多奇异特性，如光学、热学、电学、磁学、力 学及化学性能，皆和大块固体相比有显著不同。
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纳米材料结构特性
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自然界中的纳米材料
花粉是纳米级的粒子
病毒也是纳米级的,３0-100nm.
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原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、 多元原子团簇和原子簇化合物． 一元原子团簇包括金属团簇(加Nan，Nin等)和非
金属团簇．非金属团簇可分为碳簇(如C60,C70
等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学 键结合形成的化合物
日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术 研究开发计划，1995年又将其列为今后10年开发的四大基础 科技项目之一； 德国在1993年提出了今后10年重点发展的9个领域关键技术， 其中4个领域涉及纳米技术。
欧盟－对纳米技术的投入目前己达数亿美元，已将纳米技术 列入欧盟2002至2006年科研框架计划。
量子线
量子点
电子能态密度与尺度的关系
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1.6 纳米材料的应用
Nano-engineered Powders Tackle Toxic Chemicals
纳米粉末处理有毒化学品
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纳米陶瓷
瓷砖表面涂上纳米薄层 ，可以制成自洁玻璃 和自
洁瓷砖，任何粘在表面上
的脏物，包括油污、 细菌 ，在光的照射下，由于纳 米的催化作用，都可以变 成气体或者容易被擦掉的
2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。 3）可以检测出几个癌细胞。 -------克林顿
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世界关注纳米技术
政府计划：世界关注纳米技术
美国自1991年开始，把纳米技术列入了“政府关键技术”、 “2005年战略技术”，每年为此拨款3500万美元作为重大研 究经费开支。美国到2005年的10项战略技术中有4项是纳米技 术；
Xinjiang university
纳米材料学
Nano-Materials
主讲：谢亚红 副教授
新疆大学化学化工学院材料科学与工程教研室
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认识纳米
什么是纳米及纳米材料？
纳米材料有哪些特性？ 纳米材料怎样分类？ 纳米科技探索 Nano you
自然界中有哪些纳米材料？ 纳米材料的发展历史及其重要地位？
1nm
1000 slices
1 m
一般在年轻人的头发丝粗些，老年人的头 发丝细些，一根头发丝的直径约7万--8万 纳米，最粗的头发丝不超过10万纳米。
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物质性质随尺寸的演变
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纳米材料（Nano Material）
纳米材料又称为超微颗粒材料，是指在三维空间中至少 有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本 单元构成的材料，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡 区域。
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碳纳米管纤维纺织技术
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单壁纳米管的生长
2004年11月19日 美国《科学》周刊306卷 25
二维材料（纳米薄膜）
纳米膜厚测量仪
只有一个维度（厚度）在纳 米尺寸的材料；通常指纳米 薄膜。
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三维材料（纳米固体）
三个维度都不在纳米尺寸的材料，纳米固体是由纳米尺 度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来 获得具有新原子结构或微结构性质的固体
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一维纳米材料：纳米纤维、纳米管、纳米棒
指直径为纳米 尺度而长度较 大的线状材料 。可用于：微 导线、微光纤 （未来量子计 算机与光子计 算机的重要元 件）材料；新 型激光或发光 二极管材料等 。
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碳纳米管 nanotube
碳纳米管是一种长度和直径之比 很高的纤维。它韧性极高，兼具 金属性和半导体性，强度比钢高 100倍，而重量只有钢的1/6。科 学家们已经研制成功了世界上最 小的碳管，他们认为这将是最细 和最稳定的纳米碳管。这种小小 的圆柱体直径仅为0.4纳米。
多层膜、超晶格等。
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原子团簇（atomic cluster ）
定义：仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子 称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集 合体。
原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整
的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、层状、 管状、洋葱状、骨架状、球状等等
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纳米科技的科学意义
（1）纳米科技将引发人类认知的革命

首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下
的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，
也是一片新的研究疆土。

其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的 开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和 理解的任务。
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(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命
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Xinjiang university
Nano-Materials
第一讲
绪 论
新疆大学化学化工学院材料化学与工程教研室
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OUTLINE
1.1 基本概念
1.2 纳米材料发展历史
1.3 纳米材料分类
Catalog
1.4 纳米材料的重要地位 1.5 纳米材料的奇异特性 1.6 纳米材料的应用 1.7 纳米材料的研究内容
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1.4 纳米材料的重要地位
纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使
人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。 纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件， 使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越 来越小.
1）可制造一种材料，其强度为钢的几倍，而重量仅为钢的几分之一。