材料物理2014納米結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)及納米材料的應(yīng)用

宏觀領(lǐng)域：肉眼可見微觀領(lǐng)域：分子、原子宇宙天體無限小介觀領(lǐng)域：微米、亞微米、納米、團簇材料科學(xué)研究內(nèi)容：顯微結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝、理化性能、使用效果無機材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型分類（設(shè)備分辨率）：宏觀（大）結(jié)構(gòu)（>100微米）：肉眼或放大鏡顯微結(jié)構(gòu)（0.2微米）：光學(xué)顯微鏡超微（亞）顯微結(jié)構(gòu)（0.01微米）：電子顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)（分子、原子）：高分辨透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)：在光學(xué)和電子顯微鏡下分辨出的，試樣中所含相的種類及各相的數(shù)量，顆粒的形狀、大小、分布取向和它們相互之間的關(guān)系。（介觀）納米材料科學(xué)：在nm尺度空間，對物質(zhì)和材料進行研究處理的新科學(xué)，又稱超微粒子科學(xué)最終目標(biāo)：直接以原子或分子來構(gòu)造具特定功能的產(chǎn)品利用納米材料科學(xué)制造納米結(jié)構(gòu)材料非?；钴S多彩多姿的納米結(jié)構(gòu)大力神杯－硅納米結(jié)構(gòu)納米概念車YBCOnanoink

基于納米線電子器件分子剪刀3nm長納米材料：尺度性質(zhì)納米結(jié)構(gòu)：以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營造一種新體系1、原子團簇、納米粒子或一維納米材料；2、在一個方向改變成分或厚度的多層膜；3、納米顆粒膜；4、納米微晶構(gòu)成的納米相材料（納米復(fù)合材料）納米結(jié)構(gòu)是納米超微型器件的設(shè)計基礎(chǔ)（既具納米微粒特性、又有納米結(jié)構(gòu)組合引起的新效應(yīng)）納米結(jié)構(gòu)：將納米材料的基本物理效應(yīng)的認(rèn)識引向深入（納米材料的基本單元可分離；基本單元的表面可用各種手段進行控制，調(diào)整之間距離，認(rèn)識耦合效應(yīng)））納米結(jié)構(gòu)單元納米材料和納米器件的積木原子團簇納米微粒人造原子納米管/絲/棒NanotubeTransistor碳納米管場發(fā)射顯示器幾個到幾百個原子的聚集體尺度：零點幾納米到幾十納米介于單原子與宏觀固體之間的新層次，代表了凝聚態(tài)物質(zhì)的初始狀態(tài)一、原子團簇Fem、CunSm、CnHm碳簇(C60、C70、富勒烯)等原子團簇—化學(xué)鍵緊密結(jié)合，未形成規(guī)整晶體結(jié)構(gòu)分子團簇—弱分之間力結(jié)合晶體—周期性形狀多樣：線、層、管、洋蔥、骨架、球狀等一元（C60）、二元(AgnSm)、多元（Vn(C6H6）m）中空球體20個六邊形,12個五邊形直經(jīng)0.7nm（C－0.34nm,中空－0.36nm）典型原子團族：C60性質(zhì)：高化學(xué)及催化活性、限光性－光閾值、光保護器件C60－絕緣體；摻雜－導(dǎo)體、超導(dǎo)體；如：高溫超導(dǎo)48K—Rb1.0Tl2.0C60/C70制備:

放電，提純，過濾；巴基蔥多層碳納米球C60TEM當(dāng)今研究熱點:一種原子、分子過渡到凝聚態(tài)體系的新方法不看不知道：最大的和最小的汽車??！車輪為巴基球PatrickBrown,PrashantV.Kamat.,J.Am.Chem.Soc.2008,130,8890.

C60能夠有效接收從CdSe光激發(fā)而得來的電子

CdSeC60Composite量子點電池二、納米微粒尺度：1～100nm納米效應(yīng)→應(yīng)用：催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面

nanoTiO2

nanoAg紅細(xì)胞：200～300nm制備：液相法值得注意：納米微粒大比表面積→二次團聚均勻沉淀共沉淀Sol-gel微乳液工藝措施：表面活性劑分散作用噴霧干燥/冷凍干燥改善均一性制備：氣相法激光/等離子體（微波、射頻）/電子束電阻坩堝/高頻感應(yīng)納米粉體納米薄膜三、人造原子量子點小于100nm，真原子聚集體甚至：量子棒、量子圓盤、量子器件量子點導(dǎo)入癌細(xì)胞表征人造原子（量子點）相對于真原子：聯(lián)系：能級結(jié)構(gòu)、電子填充及軌道運動相似差異：人造原子1.包含一定數(shù)量真原子2.形狀、對稱性多樣化3.電子間交互作用復(fù)雜電子穿隧效應(yīng)（多電子系統(tǒng)的最佳研究對象）設(shè)計量子效應(yīng)器件和納米結(jié)構(gòu)器件的理論基礎(chǔ)大規(guī)模集成電路和微細(xì)化的出路（1）碳納米管（巴基管）91年石墨電弧法→納米管黑色粉末狀由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。四、納米管、納米絲（納米線）、納米棒及同軸納米電纜石墨

C平面六邊形網(wǎng)層狀結(jié)構(gòu)C：4個價電子，3個成鍵未成對電子→導(dǎo)電性邊緣，C懸鍵→尋求未成鍵原子碳環(huán)重排，高能量活性邊界卷曲至完美結(jié)合形成空心管狀結(jié)構(gòu)：兩端由半球型的大富勒烯分子罩住納米碳管＞1200℃分類：管壁C層數(shù)多壁MWNT單壁MWNT無機材料物理化學(xué)－納米結(jié)構(gòu)多壁納米管陣定向合成Carbonnanotubedativejunctionassembly超長納米管碳納米管應(yīng)用結(jié)構(gòu)→電子運動在徑向受限（軸向上不受）典型的量子限制效應(yīng)高新技術(shù)領(lǐng)域誘人的前景碳納米管場發(fā)射顯示器碳納米管晶體管1.在電子方面：超級電容器、場發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域

SUMSUNG2.新型C纖維材料及增強材料優(yōu)秀性能的結(jié)合：C纖維－金屬導(dǎo)熱導(dǎo)電－陶瓷耐熱耐腐蝕－高分子易加工碳納米管

強度比其他纖維高約200倍，鋼的100倍-超強材料

；性能優(yōu)于任何纖維—優(yōu)秀的增強材料輕薄典范SONY－X505：機身碳納米管技術(shù)更輕的航天器航空、航天等制造業(yè)、水泥增強、

鋼增強3.功能方面：迄今最好的貯氫材料（堿金屬嵌入）催化劑的優(yōu)良載體吸波、折射率高→優(yōu)良的隱身材料熱學(xué)性能好，火箭的固體燃料添加劑碳納米管在閃光燈（左）及電場（右）下燃燒

碳納米管的制備

典型方法——電弧放電法惰性氣氛石墨電極強電流→電弧陰極損耗，部分氣態(tài)碳離子沉積于陰極形成沉積物

陰極中摻人催化劑有時還配以激光蒸發(fā)不適于大批量連續(xù)生產(chǎn)

納米棒、納米絲(納米線)準(zhǔn)一維納米材料：截面直徑為納米尺度，長度為宏觀尺度的新型納米材料

縱橫比(長度與直徑的比值)小的叫納米棒，縱橫比大的稱作納米絲半導(dǎo)體和金屬納米線通常稱為量子線

同軸納米電纜三明治結(jié)構(gòu),類似于同軸電纜，直徑為納米級芯部為半導(dǎo)體或?qū)w的納米絲外包覆異質(zhì)納米殼體(導(dǎo)體或非導(dǎo)體)納米絲不偏不倚地長在外包覆層中間vapor-liquid-solid(VLS)processZnOnanowires納米絲、納米棒的制備NiSi/SinanowireheterostructuredevicesNature430,61(2004)NanowiresensorsNanowirefield-effecttransistor由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料的應(yīng)用一、陶瓷增韌陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。納米陶瓷二、磁性材料方面的應(yīng)用

１．巨磁電阻材料

2．超順磁性三、納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，可控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑效率低，制備憑經(jīng)驗，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，作催化劑可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。1．金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子催化高分子高聚物的氫化反應(yīng)

eg.納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團，致使雙鍵很難打開，若加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開雙鍵變得容易，使氫化反應(yīng)順利進行。2．半導(dǎo)體納米粒子的光催化半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)：光照射下，價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，價帶的空穴把周圍環(huán)境中的羥基電子奪過來，端基變成自由基，作為強氧化劑將物質(zhì)氧化，變化如下：酯、醇、醛、酸、CO2，完成對有機物的降解。在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。Eg.TiO2、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等;空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，利太陽光可進行有機物的降解。美國、日本利用這種方法對海上石油泄露造成的污染進行處理。將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。鉛化的TiO2納米粒子的光催化可以使丙炔與水蒸氣反應(yīng)，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；鉑化的TiO2納米粒子，通過光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。納米TiO2可以用來從甲醇水溶液中提取H2。3．納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化金屬納米粒子十分活潑，可作為助燃劑在燃料中使用;也可摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；提高燃燒的效率。在火箭助推器和煤中作助燃劑。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。

四、納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用小尺寸效應(yīng)使納米微粒具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性。如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等。與納米微粒的尺寸有很強的依賴關(guān)系。1．紅外反射材料高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明，但電能的69％轉(zhuǎn)化為紅外線（熱能））；燈管發(fā)熱也影響燈具壽命。納米微粒是提高發(fā)光效率的一個新的途徑。Eg.用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。該燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r，可節(jié)省約15％的電能。2．優(yōu)異的光吸收材料量子尺寸效應(yīng)使納米微粒對某種波長的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個特性。將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對紫外的吸收能力依賴于納米粒子尺寸、摻加量和組分。對紫外吸收好的幾種材料有：30～40nm的TiO2納米粒子的樹脂膜；Fe2O3納米微粒的聚酯樹脂膜。前者對400nm波長以下的紫外光有極強的吸收能力，后者對600nm以下的光有良好的吸收能力?？捎米靼雽?dǎo)體器件的紫外線過濾器3.隱身材料納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，故納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，可大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個數(shù)量級，吸收率也大得多，使紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。美國F117隱形轟炸機機美國B2隱形轟炸機五、納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護方面的作用

隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會迅速來臨，拓展人類利用資源和保護環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。1．治理有害氣體納米催化劑效率極高。在燃煤中加入納米級助燒催化劑，幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級催化劑用于汽車尾氣催化，有極強的氧化還原性能，使汽油燃燒時不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，無需進行尾氣凈化處理。2．污水處理污水中通常含有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題。納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10~20倍。3．納米TiO2與環(huán)境保護由于納米TiO2除了具有納米材料的特點外，還具有光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。（1）降解空氣中的有害有機物光催化劑可以很好地降解室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100％。降解機理：光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。（2）降解有機磷農(nóng)藥占我國農(nóng)藥產(chǎn)量80％的有機磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來的農(nóng)藥品種，它的生產(chǎn)和使用會造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。（3）處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點。（4）解決石油污染在石油開采運輸和使用過程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。（6）高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。

（7）自潔作用納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點。

“納米自潔凈玻璃”是在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價格比預(yù)計為1.5：1。被稱之為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對環(huán)境保護產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念，利用納米技術(shù)解決污染問題將成為未來環(huán)境保護發(fā)展的必然趨勢。六、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用

眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預(yù)測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計量子計算機。美國南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計算技術(shù)的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術(shù)有了進一步的認(rèn)識。

雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當(dāng)今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個光循環(huán)過程中，細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調(diào)諧激光束，將信息并行地寫入細(xì)菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供比二維光學(xué)存儲器大得多的存儲空間。到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子計算機組件?？茖W(xué)家們認(rèn)為：要想提高集成度，制造微型計算機，關(guān)鍵在于尋找具有開關(guān)功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲器。此外，他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲裝置。納米計算機的問世，將會使當(dāng)今的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機械就容易多了。英國《自然》雜志上報告，用DNA（脫氧核糖核酸）制造出了一種納米級的鑷子。利用DNA基本元件堿基的配對機制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復(fù)開合。七、納米科技在其他方面的應(yīng)用1.醫(yī)學(xué)使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。納米機器人

采用納米大分子：“生物部件”與小分子無機物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機器人，將會給人類醫(yī)學(xué)科技帶來深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決。這些分子機器人以光感應(yīng)器作開關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得能量，并按編制好的程序探體內(nèi)物體，以醫(yī)師預(yù)先編制的程序進行全身健康檢查，疏通腦血管中的學(xué)栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，吞噬病毒和組織破碎細(xì)胞，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等。納米機器人還可以用來進行人體器官修復(fù)工作，如修復(fù)損壞的器官和組織，做整容手術(shù)，進行基因裝配工作，從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機體恢復(fù)正常功能。將由納米硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療鉑金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。2.家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

3.電子計算機和電子工業(yè)

可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

4.紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。