《納米材料》 課件 1 緒論

第一章納米材料第一節(jié)自然界中的納米材料03第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮出淤泥而不染壁虎飛檐走壁蝴蝶色彩斑斕的翅膀軟體動物的“鎧甲”…04第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮花為何出污泥而不染許多植物，如荷花葉面具有超疏水及自潔的特性。蓮葉表面疏水，始終保持一塵不染。05第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮花效應(yīng)水與疏水表面有一超大接觸角06第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮花效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過德國植物學(xué)家WilhelmBarthlott的長期觀察研究，在1990年代初終于揭開了蓮葉葉面的奧妙。并創(chuàng)造了“蓮花效應(yīng)”一詞，從此以后，蓮花效應(yīng)就成了納米科技最具代表性的名詞。Prof.Dr.WilhelmBarthlott07第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多種納米級的超微結(jié)構(gòu)。蓮葉粗糙表面上的微納米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在使其表面超疏水，共同引起蓮花效應(yīng)。蓮葉表面微觀結(jié)構(gòu)(SEM)08第一節(jié)、

自然界中的納米材料蓮花效應(yīng)原理09第一節(jié)、

自然界中的納米材料乳突間的凹陷充滿空氣，形成一層只有納米級厚的空氣層。尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的水降落在葉面上后，只能同乳突幾個點接觸。接觸面積小，接觸角變大，疏水性增加，水在表面張力作用下形成球，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。10第一節(jié)、

自然界中的納米材料開發(fā)出了仿荷葉自清潔功能的疏水涂料及涂裝技術(shù)/research/1911第一節(jié)、

自然界中的納米材料壁虎飛檐走壁的奧秘會飛的壁虎壁虎及其腳趾12第一節(jié)、

自然界中的納米材料

壁虎腳部單根剛毛結(jié)構(gòu)微小，能實現(xiàn)最大平整接觸，保證黏附力。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高黏附力13第一節(jié)、

自然界中的納米材料a）壁虎腳的顯微放大圖片；b）碳納米管陣列的顯微放大圖片；c）一個4×4平方毫米的碳納米管陣列自吸附在玻璃的表面上懸掛一瓶約650克的可樂；d）4×4平方毫米的碳納米管陣列自吸附在砂紙表面上14第一節(jié)、

自然界中的納米材料蝴蝶翅膀顏色的秘密光子晶體15第一節(jié)、

自然界中的納米材料貝殼為何會如此堅硬

貝殼是一種的鈣化物，主要分為三層，角質(zhì)層，棱柱層，珍珠層。珍珠層具有有序的“磚——泥”微觀結(jié)構(gòu)。CaCO3為“磚”，提供了強(qiáng)度性能；有機(jī)蛋白質(zhì)和殼多糖為“泥”，提供了韌性。而后經(jīng)過逐漸礦化，形成致密的珍珠層，如此高度規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也造就了貝殼既有強(qiáng)度又有韌性的特點。第二節(jié)納米技術(shù)發(fā)展歷程17第二節(jié)、

納米技術(shù)發(fā)展歷程最早的納米材料中國古代的銅鏡的保護(hù)層納米氧化錫中國古代的墨及染料1857年法拉第制備出金納米顆粒巴黎圣母院的花窗18第二節(jié)、

納米技術(shù)發(fā)展歷程納米紀(jì)事初期的納米材料概念及理論

1861年，膠體化學(xué)的建立

1959年，費(fèi)曼的著名演說

“There

is

plentyofroomatthebottom”1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理論

“微小原子團(tuán)會具有量子力學(xué)上的特性”上世紀(jì)七十年代末至八十年代初，開始較系統(tǒng)的研究

1985年，Kroto和Smalley等人發(fā)現(xiàn)C601990年，美國巴爾的摩召開第一屆納米科技會議1994年，波士頓的MRS秋季會議上正式提出納米材料19第二節(jié)、

納米技術(shù)發(fā)展歷程八十年代以來，納米材料表征方法的發(fā)明

1981年，掃描隧道顯微鏡的發(fā)明原位電子顯微鏡的提出九十年代以來，開始較系統(tǒng)的新型納米材料的開發(fā)

1991年，Sumio

Iijima等人發(fā)現(xiàn)CarbonNanotube1993年，WeitzmannInstitute開發(fā)聚合物納米管1997年，NadrianSeeman提出DNA納米器件20第二節(jié)、

納米技術(shù)發(fā)展歷程新型納米材料的發(fā)展大致可以劃分為3個階段：第一階段(1990年以前)在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒，粉體，塊體(包括薄膜)。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點是根據(jù)物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料

納米粒與納米粒復(fù)合，

納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合，

復(fù)合納米薄膜。第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝研究

以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三

維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。第三節(jié)納米材料和納米科學(xué)技術(shù)22納米尺度：納米尺度技術(shù)是指利用我們對納米尺度科學(xué)的理解來制造具有新性能產(chǎn)品的能力。1納米(nm)=10-3微米(

m)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)頭發(fā)直徑：50-100

m,1nm相當(dāng)于頭發(fā)的5-10萬分之一。氫原子的直徑為0.1nm，所以1納米等于10個氫原子一個一個排起來的長度。納米科技：指一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)。主要用于制備性能優(yōu)異的納米材料、制備各種納米器件和裝置、分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。

實現(xiàn)對整個微觀世界的有效控制。一、

納米科技的研究內(nèi)容23納米材料：在三維空間中至少有一維處于納米尺度（0.1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。一、

納米科技的研究內(nèi)容24納米結(jié)構(gòu)：尺寸介于分子和微米尺度間物體的結(jié)構(gòu)，有一，二，三維物質(zhì)，相互關(guān)聯(lián)的組成部分，其中一個或多個在納米級區(qū)域，具有納米級的內(nèi)部或表面結(jié)構(gòu)。至少有一維處于0.1～100nm；

因具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、或宏觀量子隧道效應(yīng)等引起光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等性質(zhì)發(fā)生十分顯著的變化。

否則，不能稱之為納米材料！一、

納米科技的研究內(nèi)容25一、

納米科技的研究內(nèi)容世界的不同層次宏觀：大尺度，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，探索宇宙起源與進(jìn)化。微觀：小尺度，發(fā)明了顯微鏡，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)。26一、

納米科技的研究內(nèi)容納米科技涉及的技術(shù)領(lǐng)域

(1)納米制造學(xué)

(2)

納米化學(xué)

(3)納米物理學(xué)

(4)

納米生物學(xué)

(5)

納米電子學(xué)

(6)納米力學(xué)

(7)

納米顯微學(xué)

(8)

納米計量學(xué)

??????270維：又稱為量子點，電子在3個維度上的能量都已量子化，不能自由運(yùn)動，如納米顆粒、原子團(tuán)簇等1維：又稱為量子線，電子在兩個維度或方向上的運(yùn)動受約束，僅能在一個方向上自由運(yùn)動，如納米絲、納米棒、納米管等二、

納米材料的分類1.按照維度進(jìn)行分類282維：又稱為量子面，電子在一個方向上的運(yùn)動受約束，能在其余兩個方向上自由運(yùn)動，如超薄膜、多層膜、超晶格等。3維：晶粒尺寸至少在一個方向上為0-100nm的材料，即指在三維空間中含有上述納米材料的塊體。所有電子在所有維度內(nèi)均自由移動，如石墨烯、金屬二鹵化物等。二、

納米材料的分類29碳基納米材料：由在不同維度上發(fā)展起來的雜化sp2碳原子組成，包括富勒烯、碳納米管、石墨烯片、石墨和納米金剛石。半導(dǎo)體納米材料：將半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)改變?yōu)榧{米尺度，氧化鋅、碳化硅、氮化鎵等為寬帶隙半導(dǎo)體材料。二、

納米材料的分類2.按材料類型分類30無機(jī)基納米材料：主要由小于100nm的金屬或金屬氧化物顆粒制成。例如金、銀納米顆粒或二氧化鈦和氧化鋅等。有機(jī)基納米材料：由有機(jī)物組成的納米結(jié)構(gòu)。樹突聚合物、膠束、脂質(zhì)體和聚合物可以通過利用非共價相互作用、利用自組裝特性或分子的設(shè)計來獲得。復(fù)合納米材料：是由多個相組成的固體材料，其中一個相的尺寸小于100nm，或在相之間具有納米級重復(fù)距離的結(jié)構(gòu)，包括金屬、陶瓷或聚合物等的任何混合物。二、

納米材料的分類31三、

納米材料的特性與應(yīng)用32四、

納米材料的制備方法納米材料制備方法兩條途徑三類體系自上而下自下而上氣相法液相法固相法33五、

納米材料的表征工具納米檢測的發(fā)展20世紀(jì)60年代電子顯微技術(shù)（TEM、SEM等）20世紀(jì)80年代掃描隧道顯微鏡技術(shù)（STM）

原子力顯微鏡（AFM）20世紀(jì)90年代掃描探針顯微鏡（SPM）技術(shù)

搬動原子組成納米結(jié)構(gòu)圖案本世紀(jì)初

高分辨電鏡及能譜（EDS）技術(shù)

分析材料組成與結(jié)構(gòu)34五、

納米材料的表征工具常用表征技術(shù)顯微技術(shù)：TEM、SEM、STM、AFM

分析納米材料的粒度與形貌衍射技術(shù)：X-射線衍射（XRD）、電子衍射（ERD）

分析結(jié)構(gòu)能譜技術(shù)：能譜（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）

分析成分與表/界面光譜技術(shù)：紅外光譜（IR）、拉曼光譜（Raman）

分析成分與表/界面第四節(jié)納米時代的到來36一、

未來新工業(yè)革命的到來第一次工業(yè)革命——毫米時代

發(fā)生在18世紀(jì)中葉，以Fe

基材料為基礎(chǔ)，蒸汽機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，使機(jī)器生產(chǎn)逐步取代手工勞動，使人類跨入了機(jī)械化工業(yè)時代，加工精度標(biāo)志尺度是毫米，可以稱作毫米技術(shù)應(yīng)用時代。37一、

未來新工業(yè)革命的到來第二次工業(yè)革命——毫米時代

第二次工業(yè)革命以

Fe、Cu、Al

等金屬材料為基礎(chǔ),電動機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，使社會進(jìn)入電氣化時代，它的加工精度標(biāo)志尺度仍是毫米。38一、

未來新工業(yè)革命的到來第三次工業(yè)革命——微米時代

20世紀(jì)，第三次工業(yè)革命以Si基材料為基礎(chǔ)，以電子技術(shù)為代表，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，使社會進(jìn)入信息時代，它的標(biāo)志是微米技術(shù)的應(yīng)用，使人類進(jìn)入以計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊為代表的新時代，促進(jìn)了生產(chǎn)力的飛速發(fā)展。39一、

未來新工業(yè)革命的到來第四次工業(yè)革命—即將到來的納米時代

21世紀(jì)，預(yù)計以納米材料為基礎(chǔ)，將給人類帶來第四次工業(yè)革命，使人類的生產(chǎn)和科技活動從微米層次深入到納米和分子層次，將對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來極大的變革。納米器件與機(jī)器、分子器件與機(jī)器將引領(lǐng)人類社會的發(fā)展。40一、

未來新工業(yè)革命的到來納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將是2l世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。

----錢學(xué)森41二、

國際納米材料發(fā)展的形勢美國啟動納米技術(shù)促進(jìn)計劃

克林頓說：“我正在支持一項對美國未來經(jīng)濟(jì)和發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的納米技術(shù)，它是21世紀(jì)最重要、應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的計劃……”?？茖W(xué)技術(shù)主席助理NealLane說：“如果人們問我哪個科學(xué)和工程領(lǐng)域最有可能在未來產(chǎn)生突破性成就，我認(rèn)為會是納米科學(xué)和工程?！蓖匪拐f：“……納米技術(shù)對經(jīng)濟(jì)社會的影響將超過計算機(jī)……”42二、

國際納米材料發(fā)展的形勢美國能源部的8項優(yōu)先研究中，6項有關(guān)納米材料，制定了“國家納米技術(shù)倡議”(NNI):納米材料，納米電子學(xué)，納米光電子學(xué)，納米磁學(xué)，納米醫(yī)學(xué)，納米生物學(xué)美國總統(tǒng)布什2003簽署了《21世紀(jì)納米技術(shù)研發(fā)法案》，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從2005財政年度開始的4年中共投入約37億美元，用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā)。2010年:80萬納米科技人才，GDP1萬億美元，200萬個就業(yè)機(jī)會43二、

國際納米材料發(fā)展的形勢日本和德國出臺了相應(yīng)的研究計劃日本：要向抓微電子那樣抓納米技術(shù)，把發(fā)展納米技術(shù)作為21世紀(jì)前20年立國之本。德國：納米技術(shù)是21世紀(jì)高科技的制高點。布署了跨部門的六大中心發(fā)展納米技術(shù)。三菱化工建立了納米碳管生產(chǎn)線自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣44二、

國際納米材料發(fā)展的形勢其他國家的納米科