材料科学基础第四章纳米材料及应用 .ppt

纳米机器人 纳米机器人的魅力之处在于：由于可以进行自我复制，只需在体内植入很少的量，便可达到治疗目的。然而，所谓的魅力与可怕的危险是同时存在的，纳米机器人能在10小时内复制680亿个，在身体“防御盾”不断被削弱的同时，人类成为生物和技术的合成体，也就是同时具备两种特征。在这种情况下，抵抗是徒劳的。 生物医药技术 材料科学与工程基础 4.8 纳米材料及应用 （The Characteristics and Application of Nanomaterials） 纳米概念 纳米科学技术 纳米材料 纳米材料的应用 * * 化合物 金属材料 半导体和超导材料 硅酸盐材料 复合材料 纳米材料 高分子材料 一、纳米概念 纳米（nanometer）是一个长度单位， 简写为nm。 1nm=10-9m 1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。 纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。 纳米尺度的概念 * * 跳蚤 头发 红细胞 病毒 从宏观世界到微观世界 Pt/TiO2 催化剂 花粉是纳米级的粒子 病毒也是纳米级的,３0-100nm. 如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。 用什么仪器去看纳米 扫描隧道显微镜（英文名称是Scanning Tunneling Microscope，简称为STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米 二、纳米科学技术 左图为单个Xe原子静置在Ni表面上的情景，右图为探针“拾”起该原子的情景。此图分别显示出相应的两个状态的STM图像 原子操作过程的STM象 纳米科技和纳米材料 纳米科技是在0.1-100 nm的空间内，研究物质组成体系的运动规律和相互作用，以及实际应用中技术问题的科学技术，被世界各国列为21世纪的关键技术之一。 ?????? 纳米材料是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料，其粒径为0.1-100 nm，纳米物质有四大效应：即小尺寸效应、量子效应、表面效应、宏观量子隧道效应。 纳米材料的特异性能 科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。 纳米黄金变为黑色，纳米铂（白金）变成铂黑; 纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度 可以从1 cm延伸到100 cm，其厚度可以从1 mm减小到0.01 mm； 陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性（ “摔不破的陶碗”）； 硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光； 涂有纳米涂层的玻璃可以防雾（汽车车窗玻璃）。 1959年，费曼的预言这是关于纳米技术最早的梦想。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1984年，德国研制成功第一个金属纳米材料； 1987年，美国研制成功氧化钛纳米材料； 1990年，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生； 1993年，中国科学院真空物理实验室，首次操纵原子成功写出“中国”二字。标志着我国开始在国际纳米领域占有一席之地。 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录 1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。 纳米科技大事记 纳米科学技术 下图所示为超高真空中利用扫描隧道显微镜技术，在硅单晶体表面（111）面上移动Si原子而形成“中国”二字字样。 图 超高真空中, 用STM技术，移动Si（111）面上的原子形成“中国” 字样 1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。 每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。 1990年，美国加州的IBM研究室艾格勒等人利用STM