纳米技术与高分子

原子簇（团簇）cluster C60
Roundest and most symmetrical molecule known to man Compressed – becomes stronger than diamond Third major form of pure carbon Heat resistance and electrical conductivity
五、纳米颗粒表面修饰和包覆的研究
碳 纳 米 管 太 空 电 梯 的 绳 索
4 nm width (smaller diameter than DNA) 100x’s stronger than steel 1/6 weight Thermal/electrically conductive Metallic and Semi-Conductive
containing Au nanoparticles.
Au/SiO2 nanoparticles
Dendrimersnanoparticals of organic molecules
Functionalized carbon nanotubes
Functionalized carbon nanotubes with organic appendages are highly soluble in organic solvents and water
D＝0.7nm
Bottom-up manufacturing
Nanotech approach Add material until the product has been created
Eg. Biological systems
红血球：200-300 nm 细菌： 200-600 nm
m
acetone
/m
total
s/dyne/cm
h
60 50
<Rh>/nm
40 30 20 10 0
5
10
15
20
mmonomer/g
-○-: EA; -□-:BMA; -△-:MMA; -▽-:BDA
纳米陶瓷
可以用来加工制 造发动机零件
物理学家理查德.范曼Richard Feynman 1959年《在底部还有很大空间There is Plenty of Room at the Bottom. 》
M. Prato et al.
J. Am. Chem. Soc. 124, 760 (2002)
Application of Nanomaterials
US foresees a $1 trillion market by 2015 for nanoproducts
◆ Chemicals & Materials
1998 Bill Clinton Signed
the NNI June 2003 - Congress approves $2.3b in additional funding Europe and Asia are Moving Fast – Maybe Faster Why? Because Winner controls manufacturing for next century
神奇的奈米材料
Wonderful Nanomaterials
纳米（nm）
即毫微米
长度的度量单位
“矮小”（希腊文） 一纳米等于十亿分之一米的长度 是氢原子直径的10倍
万分之一头发粗细
源自文库
Materials have charactersitics length scale <100nm. The length could be a particle diameter, grain size, layer thickness, etc.
扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动 到各自的位臵，组成了IBM三个字母。二个 字母加起来还没有3个纳米长。 不仅能够操纵单个的原子，而且还能够 “喷涂原子”。 使用分子束外延长生长技术，制造极薄 的特殊晶体薄膜，每次只造出一层分子。制 造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。
The International Race for Nanotech Supremacy
病毒：
几十纳米
纳米粒子（超微颗粒）：
1～100 nm 间的粒子 处原子簇和宏观物体交界的过渡区域 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。
各种块状金属有不同颜色，但细化到纳米 级的颗粒时，所有金属都呈现黑色；
金的熔点通常是１０００多摄氏度，而晶 粒尺度为３纳米的金微粒，其熔点仅为普 通金的一半
纳米技术与高分子材料
Nanoscience and Polymer Materials
刘
晓
暄
（教授/博士 博士生导师 系主任） 广东工业大学 材料与能源学院 高分子材料与工程系
Nanomaterials（纳米材料）
Nanotubes grow efficiently from gas with iron as a catalyst.
10.0 7.5
before evaporation after evaporation
f(R )
h
5.0 2.5 0.0 100
101
102
<R > / nm
h
288 240
96 80 64 48 32 16 0.2 0.4 0.6 0.8 0
<R >/nm
192 144 96 48 0 0.0
Au nanoparticles
Gold nanoparticles (bright red) have been used by man since the middle
ages (唐朝) for ornamental decoration Nissan Luxury car using paint
• AFM: primary or secondary particle size • X-Ray Diffraction: 10-100 nm, indirect method • Light Scattering: good for >50 nm
扫描探针显微镜 功不可没
1990年， IBM公司阿尔马登研究中心
MEMS and Quantum Dots
Micro Sized Motor
Quantum Dot
图 中 的 黄 点 是 被 囚 禁 的 钠 原 子 云
被激光囚禁的铷原子云。表面温度越低，被囚禁的铷原子云 的尺寸越小，更多的铷原子云处在同一的量子态。
纳米加工技术－
通向纳米世界的桥梁
按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由 地剪裁、安排材料
Synthesis and Processing
Bottom Up - from atom building block up to nanoscale material
Atomic or molecular precursors –colloid chemistry, • gas-condensation, chemical precipitation, aerosol reactions, biological templating, sol-gel Top down - from bulk material to nanoscale material Bulk precursors - mechanical attrition, crystallization from the amorphous state, phase separation, plasma spray, electrochemical etching Nucleation of supersaturated vapors
Government Nanotech Funding
(In Billions)
800 600 400 200 0
9 19
U.S
8
0 20
0
0 20
2
0 20
3
Other
Japan
Europe
X-ray diffraction patterns of (a) Ru and (b) AlRu before and after MA for 32 h
Agglomerate of primary particles
Measurement of particle size
• SEM: good for > 100 nm, • determine the size of secondary particles
• TEM/HRTEM: good for 1nm-100nm, primary particle size
Catalysts-Pt nanoparticles for fuel cells Filters and Membranes Coatings and Composites for cars, etc. Fibers-stain/wrinkle resistant khakis, fibers disperse/dry sweat, channel body odor Sealants-durable tennis balls, long life tire Cosemetics, foods ◆ Optics & Electronics Lenses-unusual optical property, high refractive index Sensors-high sensitivity and selectivity Nonvolatile random access memory and molecular devices from carbon nanotube. Single electron transistor from C60. ◆ Tools & Robatics Extreme hard nanocrystal material WC, stress sensitive mater. ◆ Medicines-cancer drugs, etc.
• the bulk materials due to the effects of quantum size
• confinement and high surface area
• 10 nm diameter ~10% of atoms on the surface
• 1nm ~100% atoms on the surface
纳米金属铜的超延展性
Characterization of Nanomaterials
• Nanomaterials appear different electrical, optical,
• magnetic, chemical, mechanical, etc. properties from
“苍蝇”飞机
“蚂蚁士兵”
纳米粉末的检测和表征
几何学粒径；当量粒径 比表面粒径；衍射粒径 粒径分布：个数分布；长度分布 面积分布；质量分布
纳米材料：
固体颗粒小到纳米尺度的超微粒子 （也称之为纳米粉）和晶粒尺寸小 到纳米量极的固体和薄膜。
分类： 纳米粉末
纳米纤维
纳米膜 纳米块体
制备方法
物理方法
化学方法
Eg. Sculpting
国家自然科学基金资助"纳米"科技项目和经费逐年增加(根据 题目上出现"纳米"字样的部分基金项目的统计结果)
纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部 分别从不同角度予以了资助
美容美发护理剂 疾病检测指示剂 抗菌剂 纳米矿物中药 纳米导向剂 航天和航空高效助燃剂 “麻雀”卫星 “蚊子”导弹
气相沉积法 沉淀法 水热合成法
真空冷凝法
物理粉碎法 机械球磨法
溶胶凝胶法
微乳液法
纳米高分子材料
聚合物纳米材料、聚合物/无机纳米复合材 料、聚合物/聚合物纳米复合材料 一是采用高分子的纳米合成方法 二是通过成型加工的方式得以实现 微乳液聚合 微波 无皂乳液聚合
稳定性
一、纳米组装体系的设计和研究 二、高性能纳米结构材料的合成 三、纳米添加使传统材料改性 四、纳米涂层材料的设计与合成
一个原子一个原子地制造物品
Eric Drexler –One time student of Feynman –1986 book •“Engines of Creation”
Top-down manufacturing
Traditional approach Take away material until what is left is the product