神奇的纳米材料

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一道习题
Klever = 2 nN/nm Ksilicon = ∞ KZnO = ?
如果纳米线长1um，直 径100nm，请计算纳米 线的弹性模量E。
提示：
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工作原理－－轻敲模式
轻敲模式的悬臂： 矩形
由纯硅制造
轻敲模式下扫描样品表面
Binning and Rohrer
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An STM image of a silicon surface - each bump is one atom
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• 1985年 美国Rice Univ. 科学家Richard Smalley等人发现了Buckminsterfullerene， C60
100 1000 10,000 100,000 1,000,000
0.00389
0.00371
4,000,000
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本堂课程提纲
1. 2. 3. 4. 基本概念 纳米的起源和发展 观察纳米世界的主要工具 纳米技术包括的方面
1. 纳米材料 2. 纳米加工技术 3. 纳米生物医药
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4.2 纳米加工技术
• 微电子加工技术迈入纳米时代
1965年，Intel的创始人 之一戈登· 摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩 尔定律：
集成电路芯片上所集成 的电路的数目，每隔18个 月就翻一番。
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平板电容器公式： kS / d C
如果纳米线长1um，直 径100nm，请计算纳米 线的弹性模量E。
提示：
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课后习题2
• 对于一个球体，半径为R，表面能正比于表 面积，表达为(-δS), 化学能正 比于体积， 表达为（gV)。表面能与化学能关系
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• 1990年 首届国际纳米技术科技会议在美国 巴尔的摩（Baltimore）举办
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太空穿梭机 Space Shuttle
Current situation: • A total of five usable orbiters were built, Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis and Endeavour. • 50,000 lb (22,700 kg) of payload • Approximately one flight per orbiter every year
神奇的纳米材料和纳米技术
暨南大学 物理学系 麦文杰 博士
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纳米技术很可能是 连接粒子现象和太空现象的技术 连接童话世界和未来世界的技术
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尺寸现象 怪蟒
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太空穿梭机 Space Shuttle
现在情况: • 总共建造了5架太空穿 梭机, Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis and Endeavour. • 每次有效载荷 50,000 磅 (22,700 千 克) • 大约每年每架飞行1次
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• 2001年 当时美国总统Clinton建立了 National Nanotechnology Initiative ( NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。
The covers of the reports from the National Nanotechnology Advisory Panel to US President.
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3.3 扫描电子显微镜（SEM）
场发射SEM的放大倍数：～ 1百万倍
最小分辨率：～ 1 nm
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3.4 透射电子显微镜（TEM）
德布罗意波长：
h/ p
p m0v 2m0 E ,
h 2m0 E
相对论修正：
E eV
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Space Shuttle Atlantis
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太空升降机 一个梦想? (1)
• A space elevator is a proposed structure designed to transport material from earth’s surface into space. • Advantages:
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3. 观察纳米世界的主要工具
• • • •
扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（AFM） 扫描电子显微镜（SEM） 透射电子显微镜（TEM）
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3.1 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜的照片
刻蚀的钨针尖
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4.1 纳米材料
Carbon Nanotube
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TiO2纳米材料 染敏太阳能电池
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纳米结构帮助的自清洁效应
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纳米金属颗粒 易燃易爆 几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一 遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。 因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈 性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大 的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂， 可以加快化学反应速率，大大提高化工合 成的产出率。
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Space Shuttle Atlantis
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童话世界
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未来世界
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Biblioteka Baidu
太空升降机 一个梦想? (1)
物理的角度
• 太空升降机基本设计目的 就是使人们能够连续不断 地把物质从地球表面运送 到太空
• 优点:
有效载荷
Cross sectional TEM image of a transistor
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4.3 纳米生物医药
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结束语
微小技术将带来巨大回报
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习题1
• 对于边长为1m，体积为1立方米（m3）的 立方形固体，它的表面积是6平方米（m2）。 如果把它切成边长为1mm的小立方体，它 们的总表面积是多少？如果把它进一步切 成边长为1nm的更小立方体，它们的总 表 面积是多少？由此可见，巨大表面积带来 的表面效应，是纳米材料与宏观材料不一 样的原因之一。 • 请举出例子说明纳米材料的应用，以及为 什么需要该纳米材料。
材料 钢, ASTM A514 屈服强度 极限强度 (MPa) (MPa) 690 3620 62000 760 密度 (g/cm³ ) 7.8 1.44 1.34
应力
凯夫拉尔 （Kevlar ）纤维
碳纳米管
应变 建材钢的特征 应变－应力曲线 1. 极限强度 2. 屈服强度 3. 断裂强度 4. 应变硬化阶段 5. 颈缩破坏阶段 8
0D 量子点， 纳米颗粒
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1D 碳纳米管， 各种纳米线
2D 薄膜
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2. 纳米的起源和发展
• 1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是 可能的。
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• 1981年 观察原子世界的主要工具－－扫描 隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）诞生
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本堂课程提纲
1. 2. 3. 4. 基本概念 纳米的起源和发展 观察纳米世界的主要工具 纳米技术包括的方面
1. 纳米材料 2. 纳米加工技术 3. 纳米生物医药
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1. 基本概念
纳米 (nanometer, nm) ＝ 十亿分之一米 （10-9 m） • 1nm与1m相比，相当于玻璃弹珠跟地球相比 • 当一个男人把剃须刀放下那一小段时间，胡子已经 长了大约1 nm • 分子中原子之间间隔是 0.12-0.15 nm • DNA双螺旋结构的直径 ～2 nm • 最小的细胞（Mycoplasma细菌）长度 ～200 nm
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纳米技术研究的是至少在一个维度上已经进入纳米 尺度（0.1-100 nm) 范围的材料或者器件的相关现象。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内 容涉及现代科技的广阔领域。 包括了纳米材料学、纳 米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等学科。 从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越 来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平 提高到前所未有的高度。
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• 1989年 IBM科学家利用STM把35个氙 （Xenon）原子在光滑表面排列出IBM三个 字母，实现对单个原子的操纵。
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• 1991年 日本科学家Iijima发表了关于碳纳米 管（CNT）的研究，激起了世界范围对纳 米科技的研究热情
电子质量 m 0 9.1E 31 kg;
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电子电荷 e＝1.6 E 19 C 真空光速 c＝3E 8 m / s
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普朗克常数 h＝6.63E 34 Js;
波长
加速电压 V 未修正计算的 电子波长 nm 0.12286 相对论修正后 的计算的电子 波长 nm 0.12286
穿梭机 升降机
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每千克成本
~5000 美元 ~500 美元
Space elevator structural diagram
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22,700 千克 连续
太空升降机 一个梦想? (1)
材料的角度 这升降机的缆绳的性能要求很高， 必须有非常高的强度/密度比。如果 材料的密度跟石墨接近的时候，强 度需要达到 65–120 GPa。
扫描隧道显微镜的基本原理
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量子力学起基本作用
3.2 原子力显微镜 （AFM）
原子力显微镜的示意图
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接触模式下扫描样品表面 针尖：
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工作原理的示意图
展示原子力显微镜的工作情况的小电影
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主要功能－－表面成像
轻敲模式下得到的硅（111）表面的 三维形貌。单原子层台阶（0.3nm) 清楚可见。
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轻敲模式下得到的氧化锌 纳米线放在有刻槽的硅衬 底上。
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主要功能－－力学测量
典型的力学曲线 肌联蛋白（Titin）的伸展
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基于原子力显微镜的力学测量
碳纳米管力学测量：
KCCBM= 192 E I/ L3
中点力学曲线测试示意图
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太空升降机 一个梦想? (1)
• 碳纳米管的强度/密度比大约是钢的200－600 倍，因此可能成为太空升降机的材料。
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单壁碳纳米管的三维模型
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把梦想变成现实
• • • • • • • • 教导 “纳米基本知识” 寻找机会 产生新想法 提供概念 制造原型 商业化产品 取得价值 制造工作岗位
Payload
Space shuttles 22,700 kg
Cost per kg
~5000 USD ~500 USD
Space elevator structural diagram
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Space elevators continuous
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把梦想变成现实
• • • • • • • • • Teach “nano basics” Identify opportunities Generate ideas Protect intellectual property Prove concepts Build prototypes Commercialize products Capture value Create jobs
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Art
metropolis
bursting
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disorder
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Thank You!
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课后习题1
Klever = 2 nN/nm Ksilicon = ∞ KZnO = ?